Чому індуктор не є хорошою антеною?

[Антена повинна] мати струм, що протікає по його довжині, щоб отримані поля випромінювали цю енергію в космос. (Приймання антен - саме цей процес у зворотному порядку).

[Це] пояснює, чому ви не можете просто приклеїти невелику схему цистерни до дошки і очікувати, що вона випромінює ефективно.

^{( джерело )}

Я розумію, що це правда з досвіду, але я не розумію, чому. Я думаю, що розмір антени якимось чином змінює поля, які вона виробляє, але як це змушує енергію випромінюватись більш ефективно? Як виглядає випромінювання енергії?

Я розумію необхідність налаштування антени. Мені просто цікаво, як після налаштування максимальної передачі потужності на антену ми отримуємо більше цієї енергії, щоб перейти до приймальної антени.

Справді це може бути дуже гарна антена. Не дивіться далі, ніж транзисторні радіоприймачі та приймачі діапазонів AM У цих всюдисущих споживчих товарах антена складалася з шматочка фериту дуже низької втрати з дуже високою прохідністю. Це було загорнуто в багато підсилювачів * витків дуже тонкого мідного проводу. Висока проникність дала антенам ефективну площу поперечного перерізу - до проникності - (якщо я правильно пам'ятаю) квадратної милі або близько того, таким чином, наближаючи електричний розмір антени до розмірів довжини хвилі, яку вона отримувала.

На технічному вигині можна було б вважати, що антени взаємоділи з частиною магнітного поля випромінюючого вектора Пойнтінга.

Напруженість поля на відстані від індуктора є критично важливою. Якщо індуктор добре екранований, з нульовим полем у сусідньому просторі, він не буде діяти як антена. Очевидно.

Отже, як ми максимізуємо віддалене поле індуктора та створимо хорошу радіоантену? Ну, спершу ми повинні задуматися про відстань. На якому конкретному відстані від індуктора поле повинно бути сильним? Відповідь: 1/4 довжини хвилі. Це дещо «магічне» значення, яке випадає з фізики мандрівних ЕМ-хвиль, що взаємодіють із струмопровідними об’єктами. Якщо поле на 1/4 довжини хвилі від індуктора незначне, то індуктор електромагнітно екранований для цієї частоти. Але якщо поле значне на цій відстані, то індуктор може виконувати функцію антени.

YT анімація: поля, що оточують антену

Чому 1/4 довжини хвилі? Нагорі - MPG-анімація з курсу введення E&M в MIT. Уважно вивчіть анімацію. На невелику котушку в центрі застосовується зміна струму, і краплі замкнених круглих ліній поля полетять як хвилі ЕМ. Але дуже близько до місця розташування котушки, польовий малюнок не летить назовні. Натомість просто розширюється і руйнується. Поблизу нашої котушки-антени поле нагадує поле простого електромагніту. Він збільшується в міру збільшення струму котушки і згортається всерединуколи струм зменшується. Але на великій відстані від котушки візерунок діє дуже по-різному, і він просто безперервно рухається назовні. Де поведінка поля робить свою зміну? На відстані довжини хвилі 0,25. На відстані 1/4 хвилі польові лінії «стикаються вниз» у миттєву форму пісочного годинника, потім вони відшаровуються і летять назовні, як довгасті замкнуті кола.

Об'єм простору в межах 1/4 хвильової відстані котушки називається регіоном Ближнього поля і демонструє шаблони поля, що розширюються / стискаються, простого індуктора. На більшій відстані, у регіоні Фарфілд, поля поводяться лише як подорожі ЕМ-випромінюванням.

Більше MIT-анімацій бачиться особливо на останній

Найпростіший спосіб гарантувати сильне поле на відстані 1/4 довжини хвилі - це побудувати індуктор, який діє як дипольний електромагніт. Але зробіть електромагніт там, де його магнітні полюси розташовані приблизно на половині хвилі. Придбайте собі феритовий стрижень довжиною 1/2 хвилі, а потім використовуйте цей стрижень як серцевину індуктора. Ще простіше: просто намотайте індуктор як обмотка котушки радіусом близько 1/4 хвилі.

Інший спосіб посилити поле на відстані 1/4 хвилі - використовувати дуже малий індуктор, але підкрутити струм індуктора до набагато більшого значення. У цьому випадку навіть дуже крихітна котушка може випромінювати багато ЕМ-випромінювання. Але це спричиняє практичні проблеми: невеликі котушки є неефективними антенами через нагрівання дротом. Якщо більша частина вашої передавальної потужності збирається створювати величезний струм та антену, а не випромінювати електромагнітні хвилі, ви збираєтеся розряджати акумулятори (або отримувати великі рахунки від електричної компанії.) Якщо це не має значення у вашій ситуація, тоді жодна вежа довжиною 1/4 хвилі не потрібна. Невелика петльова антена буде добре працювати, і вона може бути набагато меншою, ніж діаметр 1/2 хвилі.

Що стосується портативних АМ-радіоприймачів та їх відносно невеликих антенних котушок, то в цьому випадку ми використовуємо щось більше "магії" для збільшення струму котушки. Якщо індуктор використовується як частина паралельного резонатора ЖК, то коли він приводиться в дію з малим сигналом, струм у резонансному циклі LC зростає до дуже високого значення. Він поглинає хвилі, що надходять, і струм котушки зростає поступово. Її ріст обмежений лише опором дроту, а якщо опір досить низький, то він обмежений лише втратами на випромінювання ЕМ. Котушка з нульовим опором при резонансі може розростати навколишні її поля, поки напруженість поля на відстані 1/4 хвилі від індуктора не буде такою великою, як напруженість поля входять хвиль ЕМ. У цих умовах крихітна котушка поводиться "електрично великою" поводиться як ЕМ поглинач діаметром приблизно 1/2 хвилі. (Зауважте, що в нижньому кінці діапазону AM на частоті 550 кГц діаметр півхвилі становить близько 900 футів!)

На відміну від інших приймачів, у портативних радіоприймачах AM-діапазону є два окремі конденсатори настройки: один для локального генератора, який є частиною приймача перегріву, і інший, який підключений паралельно до котушки феритової ядра антени. Зауважте, що резонанс ЖК необхідний лише тоді, коли циклічна антена набагато менша за радіус 1/4 хвилі. Звичайні "електрично великі" петлеві антени не потребують цього конденсатора; вони вже належного розміру для своєї робочої довжини хвилі, а доданий конденсатор настройки просто погіршить ситуацію.

Ось ще один підхід до всього питання.

Трансформатор - не пара контурних антен!

Наприклад, візьміть дюймовий широкоформатний трансформатор, що працює на 60 Гц. Коли ми віддаляємо вторинну котушку далеко від первинної, індуктивний зв’язок між ними швидко падає до нуля. Це відбувається тому, що картина поля, що оточує первинну котушку, ідентична схемі дипольного магніту ... і інтенсивність потоку диполів падає як 1 / r ^ 3. Збільшити відстань первинно-вторинної на 1000х, а потік на вторинній котушці в мільярд разів слабший.

Гаразд, тепер збільште частоту приводу, але використовуйте генератор постійного струму, щоб зберегти струм первинної котушки таким же, як і раніше. Спочатку нічого дивного не станеться. Ваш трансформатор працює так само в широкому діапазоні частот. Але на деяких надзвичайно високих частотах раптом з’являються дивні нові ефекти. Первинна котушка, чистий індуктор, раптом, здається, розвиває внутрішній резистор, і енергія починає втрачатися. Але котушка не нагрівається! Енергія якось тікає. І раптом значення потоку, який отримує вторинна котушка, починає зростати. Ваші дві котушки вже не є трансформатором. Вони стали парою радіоантен: петлеві антени. Ви навіть виявите, що далекі конденсатори (пари окремих електродів) тепер почали збирати поле з первинної котушки. Сила шаблону поля більше не спадає як 1 / r ^ 3, натомість більше нагадує джерело світла, а падає з відстані як 1 / r ^ 2. З якою частотою все це відбувалося? Вгадайте! :)

PS

Я бачу, що доктор Бельчер від MIT переніс ці оригінальні mpegs на Youtube. Ось три види базової радіоантени:

• Поруч: простий індуктор, поле розширюється і скорочується
• Середній: випромінюючий індуктор, поле лущиться і відлітає
• Далеко: хвилі ЕМ витікають назовні від антени

І ось що відбувається, коли ми раптом відокремлюємо позитивно заряджену кульову кулю від негативної.

Коли ви робите традиційний індуктор, ви намагаєтеся мінімізувати індуктивність витоку . Роблячи це, ви намагаєтеся отримати якомога більше магнітного поля, щоб прорізати довколишні витки дроту. Тороїдальний індуктор особливо добре утримує своє поле для себе.

Частина "витоку" - це те, що випромінюється далеко в космос, не захоплюючись котушкою. Що стосується котушки, це вважається "втратою". Коли ви робите антену, ви намагаєтеся максимально збільшити цей витік, оскільки ви хочете, щоб вона випромінювалась у космос.

Ви, ймовірно, цікавитесь умовою, яку ми використовуємо в ЕМП під назвою " Взаємність" .

Більшість антен, як одна з найпростіших і найкорисніших, - це електричний диполь . Оскільки система є лінійною та інваріантною за часом, ви можете з великою кількістю математики показати, що прийом з антеною - це те саме, що і передача. Це використовується, маючи проаналізувати декілька антен, оскільки вирішити рівняння випромінювання з джерелом антени та виміряти поле у ​​вільному просторі набагато простіше, ніж намагатися навпаки.

Вище я зазначив умову лінійності, що антени, які використовують магнітне ядро, часто можуть мати нелінійну поведінку, що часто не є проблемою, якщо ви залишаєтесь у прийнятному діапазоні напруженості поля, але це також означає, що вимірювання випромінювання антена часто не співвідноситься з силою прийому. Удосконалення мережі налаштування - це поліпшення, яке ви, ймовірно, побачите в обох випадках, але довіряти полю, виміряному для поля, переданого у ваш кабель, дуже легко не буде відповідати протилежному шляху.

Як виглядає поле, яке фактично залишає антену? Я знову використаю один з найпростіших, електричний диполь.

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

Отже, коли у вас є хвиля у вільному просторі, вона поширюється без меж. Коли у вас є хвиля в кабелі, вона, як правило, пов'язана між провідниками. Коаксіальний кабель є прикладом обмеженого хвилеводу режиму TEM . Завдання антен полягає в тому, щоб узгодити і зв'язати хвилю у хвилеводі до опору вільного простору і допомогти йому випромінювати. Подивившись на електричний диполь, ви побачите, що хвиля з’єднується з цією структурою, яка буде плавно з'єднуватися в космос, коли дроти розійдуться. Це, як мінімум, спосіб подумати над цим.

Я також говорив про електричний диполь, коли я говорив і показував приклади. Цікаво подумати над тим, як працює петлева антена. Магнітний диполь буде мати ту ж структуру поля як електричний диполь ви бачили, але перемикання ліній електричного поля з магнітними і навпаки. Проблема полягає в тому, що криве магнітне поле там не буде майже таким же циклом, як електричний напівдиполь, і дістатися до цієї точки досить складно.

Зауважимо, що в чистому індукторі індуктивності Г-хенрі імпеданс Z = 2 pi FL j є чисто складним, а із узагальненого закону Ома V / I = Z, тому струм і напруга будуть на 90 градусів поза фазою і без передачі електроенергії відбудеться.

Однак, котушки реального світу не є чистими індукторами, але також мають ємність і, таким чином, навіть можуть бути резонансними з певною частотою.

На частотах HF у посібнику ARRL зазначається, що приблизно 0,5 довжини хвилі дроту, намотаного на підставку зі склопластику, з "ємності капелюшком" або дротяним навантаженням вгорі створює корисну компромісну антену для ситуацій, коли диполь довжини половини хвилі або чверть вертикалі завдовжки занадто великий .

Я побудував таку антену на 3,8 МГц, яка складалася з приблизно 40 м дроту, розміром приблизно ~ 1,5 см на обороті, розташованого зубочистками, склеєними в отвори, просвердлені на полюсі діаметром ~ 4 см довжиною близько 5-6 м. Капелюшок ємності був 4 товстими (~ 8 калібруванням) проводами вгорі довжиною близько 2 м. Остаточну настройку проводили за допомогою антенного аналізатора і з десяток або близько таких додатково щільно накручених витків дроту внизу, щоб досягти перетину X = 0. R, як правило, не становить 50 Ом, тому необхідний антенний тюнер. Цей параметр був застосований для встановлення контактів навколо східної та центральної частини США та зі сходу США до Європи лише 100 Вт. Як правило, на інших станціях була чудова антена ... але все ж це було корисно.

Як виглядає випромінювання енергії?

Це для передачі антен. Вихід AM виглядає приблизно так (синім кольором):

Краще налаштування антени, більше енергії, що передається.

Краще налаштування антен, менше відбитої енергії.

Краще налаштування антен, краще ваш SWR.

Більше енергії передається у повітря, більше енергії надходить у налаштований контур!

Редагувати: Запитано в коментарях.

Що це робить хорошу антену?

Довжина антени відповідала довжині хвилі сигналу, який ви намагаєтеся приймати чи передавати. Лінія подачі також повинна відповідати таким чином, щоб сигнали не відображалися і близько 100% потужності сигналу проходили в будь-якому напрямку (tx або rx) і були низькі втрати.

Вам буде приємно знати, що навіть імпеданс точки подачі ідеальної напівхвильової дипольної антени фактично частково індуктивний .