Dlaczego cewka indukcyjna nie jest dobrą anteną?

[Antena musi mieć] prąd przepływający wzdłuż swojej długości, aby powstałe pola promieniowały tę energię w przestrzeń kosmiczną. (Anteny odbiorcze to tylko ten proces na odwrót).

[To] wyjaśnia, dlaczego nie można po prostu przykleić małego obwodu zbiornika na płycie i oczekiwać, że będzie on promieniował wydajnie.

^{( źródło )}

Rozumiem, że to prawda z doświadczenia, ale nie rozumiem dlaczego. Wydaje mi się, że wymiar anteny w jakiś sposób zmienia pola, które wytwarza, ale jak to sprawia, że ​​energia promieniuje bardziej skutecznie? Jak wygląda promieniująca energia?

Rozumiem potrzebę dostrajania anteny. Zastanawiam się tylko, jak po dostrojeniu maksymalnego transferu mocy do anteny dostajemy więcej tej energii na antenę odbiorczą.

Rzeczywiście może być bardzo dobra antena. Nie szukaj dalej niż radia tranzystorowe i odbiorniki pasma AM. W tych wszechobecnych towarach konsumpcyjnych antena składała się z kawałka ferrytu o bardzo niskiej stratności i bardzo wysokiej przenikalności. Zostało to owinięte wieloma zwojami wzmacniacza * bardzo cienkiego drutu miedzianego. Wysoka przenikalność nadała antenom efektywny obszar przekroju - ze względu na przenikalność - (o ile dobrze pamiętam) o powierzchni około mili kwadratowej, dzięki czemu rozmiar elektryczny anteny zbliżył się do wymiarów długości fali, którą odbierał.

Przy technicznym wygięciu można uznać, że anteny oddziaływały z częścią pola magnetycznego promieniującego wektora Poyntinga.

Siła pola w pewnej odległości od induktora jest niezwykle ważna. Jeśli cewka indukcyjna jest dobrze ekranowana, a pole zerowe w pobliżu nie będzie działać, to nie będzie działać jak antena. Oczywiście.

Jak więc zmaksymalizować odległe pole induktora i stworzyć dobrą antenę radiową? Cóż, najpierw powinniśmy się zastanawiać nad odległością. Pole musi być silne w jakiej konkretnej odległości od induktora? Odpowiedź: 1/4 długości fali. Jest to nieco „magiczna” wartość, która wypada z fizyki wędrujących fal elektromagnetycznych oddziaływujących z obiektami przewodzącymi. Jeśli pole o długości fali 1/4 od induktora jest nieznaczne, wówczas cewka jest ekranowana elektromagnetycznie dla tej częstotliwości. Ale jeśli pole jest znaczące w tej odległości, cewka może pełnić rolę anteny.

Animacja YT: pola otaczające antenę

Dlaczego długość fali 1/4? Powyżej znajduje się animacja MPG z wstępnego kursu E&M na MIT. Sprawdź dokładnie animację. Na małą cewkę w środku przyłożono prąd przemienny, a plamy zamkniętych kołowych linii pola odlatują jak fale elektromagnetyczne. Ale bardzo blisko położenia cewki wzór pola nie leci na zewnątrz. Zamiast tego po prostu się rozwija i zwija. Blisko naszej cewki-anteny pole przypomina pole zwykłego elektromagnesu. Rozszerza się w miarę wzrostu prądu cewki, oraz zapada się do wewnątrzgdy prąd spada. Ale w dużej odległości od cewki wzór działa bardzo inaczej i po prostu porusza się na zewnątrz w sposób ciągły. Gdzie zmienia się zachowanie pola? Przy długości fali 0,25. W odległości 1/4 fali linie pola „przewracają się” do chwilowego kształtu klepsydry, a następnie obierają się luźno i lecą na zewnątrz jako podłużne zamknięte koła.

Objętość przestrzeni w odległości 1/4 fali cewki nazywa się regionem bliskiego pola i wykazuje wzorce pola rozszerzającego się / kurczącego prostego induktora. W większej odległości, w regionie Farfield, pola zachowują się tylko jak podróżujące promieniowanie elektromagnetyczne.

Więcej animacji MIT pokazuje szczególnie ostatnią

Najprostszym sposobem na zagwarantowanie, że pole jest silne w odległości 1/4 długości fali, jest zbudowanie cewki indukcyjnej, która działa jak elektromagnes dipolowy. Ale stwórz elektromagnes, którego bieguny magnetyczne są oddalone od siebie o mniej więcej połowę długości fali. Kup sobie pręt ferrytowy o długości 1/2 fali, a następnie użyj go jako rdzenia cewki indukcyjnej. Jeszcze prościej: po prostu zwiń cewkę indukcyjną jako cewkę o promieniu około 1/4-fali.

Innym sposobem na wzmocnienie pola w odległości 1/4 fali jest użycie bardzo małej cewki indukcyjnej, ale zwiększenie prądu cewki indukcyjnej do znacznie wyższej wartości. W tym przypadku nawet bardzo mała cewka może emitować dużo promieniowania elektromagnetycznego. Ale to rodzi praktyczne problemy: małe cewki są nieefektywnymi antenami z powodu podgrzewania drutu. Jeśli większość mocy nadajnika generuje ogromny prąd i ciepło antenowe, zamiast emitowanych fal elektromagnetycznych, wyczerpią się baterie (lub otrzymają duże rachunki od firmy elektrycznej). Jeśli to nie ma znaczenia W takiej sytuacji nie jest potrzebna wieża o długości fali 1/4. Mała antena pętlowa będzie dobrze działać i może być znacznie mniejsza niż średnica fali 1/2.

Jeśli chodzi o przenośne radia AM i ich stosunkowo małe cewki antenowe, w tym przypadku używamy nieco więcej „magii”, aby zwiększyć prąd cewki. Jeśli cewka indukcyjna jest zastosowana jako część równoległego rezonatora LC, to za każdym razem, gdy jest napędzana małym sygnałem, prąd w rezonującej pętli LC rośnie do bardzo wysokiej wartości. Pochłania przychodzące fale elektromagnetyczne, a prąd cewki stopniowo rośnie. Jego wzrost jest ograniczony tylko przez rezystancję drutu, a jeśli rezystancja jest wystarczająco niska, jest ona ograniczona tylko przez straty do emisji EM. Cewka o zerowym oporze, przy rezonansie, może powiększać otaczające ją pola, dopóki siła pola w odległości 1/4 fali od induktora nie będzie tak duża, jak siła pola nadciągających fal elektromagnetycznych. W tych warunkach maleńka cewka zachowuje się „elektrycznie duża” zachowując się jak pochłaniacz EM o średnicy około 1/2 fali. (Zauważ, że na dolnym końcu pasma AM przy 550 KHz średnica połowy fali wynosi około 900 stóp!)

W przeciwieństwie do innych odbiorników, w przenośnych radiotelefonach z pasmem AM są dwa oddzielne kondensatory dostrajające: jeden dla lokalnego oscylatora, który jest częścią super odbiornika, a drugi podłączony równolegle do cewki anteny z rdzeniem ferrytowym. Należy zwrócić uwagę, że rezonans LC jest konieczny tylko wtedy, gdy antena pętlowa ma znacznie mniejszy niż promień długości fali 1/4. Konwencjonalne anteny pętlowe „duże elektrycznie” nie potrzebują tego kondensatora; mają już odpowiedni rozmiar dla swojej roboczej długości fali, a dodatkowy kondensator tuningowy tylko pogorszyłby sytuację.

Oto kolejne spojrzenie na cały problem.

Transformator nie jest parą anten pętlowych!

Weźmy na przykład transformator z rdzeniem powietrznym o szerokości cala i częstotliwości 60 Hz. Gdy odsunimy cewkę wtórną daleko od pierwotnej, połączenie indukcyjne między nimi szybko spada do zera. Dzieje się tak, ponieważ wzór pola otaczającego cewkę pierwotną jest identyczny z magnesem dipolowym ... a intensywność strumienia dipoli spada jako 1 / r ^ 3. Zwiększ odległość pierwotno-wtórną o 1000x, a strumień na cewce wtórnej jest miliard razy słabszy.

OK, teraz zwiększ częstotliwość napędu, ale użyj generatora sygnału prądu stałego, aby utrzymać prąd cewki pierwotnej taki sam jak wcześniej. Na początku nic dziwnego się nie wydarzy. Twój transformator działa tak samo w szerokim zakresie częstotliwości. Ale przy bardzo wysokiej częstotliwości pojawiają się nagle dziwne nowe efekty. Cewka pierwotna, czysty induktor, nagle wydaje się rozwijać wewnętrzny rezystor i energia zaczyna być tracona. Ale cewka się nie nagrzewa! Energia jakoś ucieka. I nagle wartość strumienia odbieranego przez cewkę wtórną zaczyna rosnąć. Twoje dwie cewki nie są już transformatorem. Stały się parą anten radiowych: anten pętlowych. Odkryjesz nawet, że odległe kondensatory (pary oddzielnych elektrod) zaczęły teraz odbierać pole z cewki pierwotnej. Siła wzoru pola nie spada już jako 1 / r ^ 3, zamiast tego jest bardziej jak źródło światła i spada z odległością 1 / r ^ 2. Z jaką częstotliwością to wszystko się działo? Odgadnąć! :)

PS

Widzę, że dr Belcher z MIT przeniósł te oryginalne pliki MPEG na Youtube. Oto trzy widoki podstawowej anteny radiowej:

• W pobliżu: prosty induktor, pole rozszerza się i kurczy
• Medium: cewka promieniująca, pole łuszczy się i odlatuje
• Daleko: fale elektromagnetyczne wypływają na zewnątrz z anteny

I oto co się dzieje, gdy nagle oddzielamy dodatnio naładowaną kulę rdzeniową od ujemnej.

Kiedy tworzysz tradycyjny induktor, próbujesz zminimalizować indukcyjność upływową . Czyniąc to, próbujesz uzyskać jak najwięcej pola magnetycznego, aby przeciąć pobliskie zwoje drutu. Cewka toroidalna jest szczególnie dobra w utrzymywaniu swojego pola dla siebie.

Część „wycieku” to ta, która promieniuje w przestrzeń, bez przechwytywania przez cewkę. Jest to uważane za „stratę” w odniesieniu do cewki. Kiedy tworzysz antenę, próbujesz zmaksymalizować ten wyciek, ponieważ chcesz , aby promieniował w przestrzeń kosmiczną.

Bardzo prawdopodobne jest, że zastanawiasz się nad warunkiem, którego używamy w EMF, zwanym Wzajemnością .

Większość anten, podobnie jak jedna z najprostszych i najbardziej przydatnych, to dipol elektryczny . Ponieważ system jest zarówno liniowy, jak i niezmienny w czasie, możesz z dużą dozą matematyki pokazać, że odbiór za pomocą anteny jest taki sam jak nadawanie. Jest to wykorzystywane, ponieważ musiałem przeanalizować kilka anten, ponieważ rozwiązywanie równań promieniowania ze źródłem anteny i pomiar pola w wolnej przestrzeni jest znacznie łatwiejszy niż próba odwrotna.

Powyżej zauważyłem warunek liniowości, anteny, które wykorzystują rdzeń magnetyczny, często mogą zachowywać się nieliniowo, co często nie stanowi problemu, dopóki pozostajesz w dopuszczalnym zakresie natężenia pola, ale oznacza to również, że pomiar promieniowania z antena często nie koreluje z siłą odbioru. Ulepszenie w sieci tuningowej to ulepszenie, które prawdopodobnie zobaczysz w obu przypadkach, ale zaufanie do pola mierzonego dla pola przesyłanego do twojego kabla bardzo łatwo nie będzie pasować do przeciwnej ścieżki.

Jak wygląda pole opuszczające antenę? Znowu użyję jednego z najprostszych, dipola elektrycznego.

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

Kiedy więc masz falę w wolnej przestrzeni, rozchodzi się ona bez granic. Kiedy fala jest w kablu, zwykle jest związana między przewodnikami. Kabel koncentryczny jest przykładem ograniczonego falowodu w trybie TEM . Zadaniem anten jest dopasowanie i połączenie fali w falowodzie z impedancją wolnej przestrzeni i pomoc w jej promieniowaniu. Patrząc na elektryczny dipol, widać, że fala sprzęga się z tą strukturą, która płynnie sprzęga się w przestrzeń, gdy druty się rozsuwają. Jest to przynajmniej sposób, aby o tym pomyśleć.

Chciałem też powiedzieć elektryczny dipol, tak jak mówiłem i pokazałem przykłady. Interesującą rzeczą do przemyślenia jest sposób działania anteny pętlowej. Magnetyczny dipol będzie miał ten sam wzór jak pole dipola elektrycznego widać, ale przełączanie linii pola elektrycznego z magnetycznego i odwrotnie. Problem polega na tym, że zakrzywione pole magnetyczne nie będzie prawie tak duże w pętli, jak elektryczny pół dipol, a dotarcie do tego punktu jest dość trudne.

Należy zauważyć, że w czystym cewce indukcyjnej L, impedancja Z = 2 pi FL j jest czysto złożona, a na podstawie ogólnego prawa Ohma V / I = Z, więc prąd i napięcie będą o 90 stopni poza fazą i nie będą przenosić mocy wystąpi.

To powiedziawszy, cewki świata rzeczywistego nie są czystymi cewkami indukcyjnymi, ale mają również pojemność i dlatego mogą nawet rezonansować z pewną częstotliwością.

Przy częstotliwościach wysokiej częstotliwości podręcznik ARRL zauważa, że ​​około 0,5 długości fali drutu owiniętego na wsporniku z włókna szklanego, z „kapeluszem pojemnościowym” lub obciążeniem drutu u góry, tworzy użyteczną antenę kompromisową w sytuacjach, gdy dipol o połowie długości fali lub ćwierć długości fali jest zbyt duży .

Zbudowałem taką antenę na 3,8 MHz, składającą się z około 40 m drutu rozmieszczonego w odległości około ~ 1,5 cm na obrót, z wykałaczkami wklejonymi w otwory wywiercone na słupie o średnicy ~ 4 cm o długości około 5-6 m. Kapelusz pojemnościowy miał 4 grube (~ średnica 8) druty u góry o długości około 2 m. Ostateczne strojenie przeprowadzono za pomocą analizatora antenowego i kilkunastu dodatkowych ciasno zwiniętych zwojów drutu na dole, aby osiągnąć przecięcie X = 0. R zazwyczaj nie wynosi 50 omów, dlatego wymagany jest tuner antenowy. Ta konfiguracja była przydatna do nawiązywania kontaktów wokół wschodnich i środkowych Stanów Zjednoczonych oraz ze wschodnich Stanów Zjednoczonych do Europy za pomocą zaledwie 100 W SSB. Zasadniczo inne stacje miały lepszą antenę ... ale nadal było to użyteczne.

Jak wygląda promieniująca energia?

Służy do nadawania anten. Wyjście AM wygląda następująco (na niebiesko):

Lepsze strojenie anteny, więcej przesyłanej energii.

Lepsze strojenie anteny, mniej energii odbitej.

Lepsze strojenie anteny, lepszy SWR.

Więcej energii przekazywanej do powietrza, więcej energii odbieranej w dostrojonym obwodzie!

Edycja: zgodnie z pytaniem w komentarzach.

Co sprawia, że ​​dobra antena jest dobra?

Długość anteny dopasowana do długości fali sygnału, który próbujesz odbierać lub transmitować. Linia zasilająca powinna być również dopasowana, aby sygnały nie były odbijane i prawie 100% mocy sygnału przechodzi w którymkolwiek kierunku (tx lub rx) i wystąpiła niska strata.

Będziesz zachwycony wiedząc, że nawet impedancja punktu zasilania idealnej anteny dipolowej półfalowej jest w rzeczywistości częściowo indukcyjna .