Perché un induttore non è una buona antenna?

[Un'antenna deve avere] corrente che scorre lungo la sua lunghezza, in modo che i campi risultanti irradino quell'energia nello spazio. (La ricezione di antenne è proprio questo processo al contrario).

[Questo] spiega perché non puoi semplicemente attaccare un piccolo circuito del serbatoio su una scheda e aspettarti che si irradi in modo efficiente.

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Capisco che questo è vero per esperienza, ma non capisco perché. Immagino che la dimensione dell'antenna cambi i campi che produce in qualche modo, ma come fa questo a irradiare energia in modo più efficace? Che aspetto ha un'energia che si irradia?

Capisco la necessità di sintonizzare l'antenna. Mi sto solo chiedendo come dopo esserci sintonizzati per il massimo trasferimento di potenza all'antenna, otteniamo più di quell'energia per andare all'antenna ricevente.

In effetti può essere un'ottima antenna. Non guardare oltre le radio a transistor e i ricevitori di banda AM. In quei beni di consumo onnipresenti l'antenna era costituita da un pezzo di ferrite a bassissima perdita con una permittività molto elevata. Questo è stato avvolto in molti giri di amp * di filo di rame molto fine. L'elevata permittività ha dato alle antenne un'area efficace della sezione trasversale - dovuta alla permittività - (se ricordo bene) di circa un miglio quadrato, portando così le dimensioni elettriche dell'antenna alle dimensioni della lunghezza d'onda che stava ricevendo.

Su una curva tecnica, potresti considerare che le antenne interagiscono con la parte del campo magnetico del vettore radiante di Poynting.

L'intensità di campo a una distanza dall'induttore è di fondamentale importanza. Se l'induttore è ben schermato, con campo zero nello spazio vicino, non agirà come un'antenna. Ovviamente.

Quindi, come possiamo massimizzare il campo distante di un induttore e creare una buona antenna radio? Bene, prima dovremmo chiederci quale sia la distanza. Il campo deve essere forte a quale particolare distanza dall'induttore? La risposta: 1/4 di lunghezza d'onda. Questo è un valore un po '"magico" che cade dalla fisica delle onde EM che viaggiano interagendo con oggetti conduttivi. Se il campo a 1/4 di lunghezza d'onda dall'induttore è insignificante, allora l'induttore viene schermato elettromagneticamente per quella frequenza. Ma se il campo è significativo a quella distanza, l'induttore può funzionare come un'antenna.

Animazione YT: campi che circondano un'antenna

Perché 1/4-lunghezza d'onda? Sopra c'è un'animazione MPG del corso introduttivo E&M al MIT. Esamina l'animazione con attenzione. La corrente alternata viene applicata alla piccola bobina al centro e chiazze di linee di campo circolari chiuse volano via come onde EM. Ma molto vicino alla posizione della bobina, il modello di campo non vola verso l'esterno. Invece si sta semplicemente espandendo e collassando. Vicino alla nostra antenna a bobina, il campo ricorda quello di un semplice elettromagnete. Si espande con l'aumentare della corrente della bobina e collassa verso l'internoquando la corrente diminuisce. Ma a grande distanza dalla bobina, il modello agisce in modo molto diverso e si sposta continuamente verso l'esterno. Dove cambia il comportamento del campo? A 0,25 lunghezze d'onda. A una distanza di 1/4 d'onda le linee del campo si "incurvano" in una forma a clessidra momentanea, quindi si staccano e volano verso l'esterno come cerchi chiusi oblunghi.

Il volume di spazio entro la distanza di 1/4-onda della bobina si chiama Nearfield Region e mostra i modelli di campo in espansione / contrazione di un semplice induttore. A maggiore distanza, nella regione di Farfield, i campi si comportano solo come radiazioni EM in viaggio.

Altre animazioni del MIT vedono soprattutto l'ultima

Il modo più semplice per garantire che il campo sia forte a una distanza di 1/4 di lunghezza d'onda è quello di costruire un induttore che agisca come un elettromagnete a dipolo. Ma crea un elettromagnete in cui i suoi poli magnetici siano all'incirca una mezza lunghezza d'onda. Comprati un'asta di ferrite lunga 1/2 onda, quindi usa quell'asta come nucleo dell'induttore. Ancora più semplice: basta avvolgere il tuo induttore come una bobina a cerchio con un raggio di circa 1/4 d'onda.

Un altro modo per rendere forte il campo alla distanza di 1/4 di onda è utilizzare un induttore molto piccolo, ma aumentare la corrente dell'induttore a un valore molto più elevato. In questo caso anche una bobina molto piccola potrebbe emettere molta radiazione EM. Ma ciò comporta problemi pratici: le piccole bobine sono antenne inefficienti a causa del riscaldamento del filo. Se la maggior parte della potenza del trasmettitore sta generando immensa corrente e calore dell'antenna, piuttosto che emettere onde EM, si sta per scaricare le batterie (o ottenere grandi bollette dalla società elettrica). Se questo non ha importanza nel tuo situazione, quindi non è necessaria una torre a lunghezza d'onda 1/4. Un'antenna ad anello piccola funziona bene e può essere molto più piccola del diametro di 1/2 onda.

Per quanto riguarda le radio AM portatili e le loro bobine di antenna relativamente piccole, in quel caso usiamo un po 'più di "magia" per aumentare la corrente della bobina. Se un induttore viene impiegato come parte di un risonatore LC parallelo, ogni volta che viene pilotato con un piccolo segnale, la corrente nel circuito LC risonante aumenta a un valore molto alto. Assorbe le onde EM in ingresso e la corrente della bobina aumenta progressivamente. La sua crescita è limitata solo dalla resistenza del filo e se la resistenza è abbastanza bassa, allora è limitata solo dalle perdite alle emissioni EM. Una bobina a resistenza zero, a risonanza, può far crescere i suoi campi circostanti fino a quando l'intensità di campo alla distanza di 1/4-onda dall'induttore è grande quanto l'intensità di campo delle onde EM in arrivo. In queste condizioni la bobina minuscola si comporta "elettricamente grande" comportandosi come un assorbitore EM con diametro di circa 1/2 onda. (Si noti che all'estremità inferiore della banda AM a 550 KHz, un diametro a mezza onda è di circa 900 piedi!)

A differenza di altri ricevitori, nelle radio portatili in banda AM ci sono due condensatori di sintonia separati: uno per l'oscillatore locale che fa parte del sistema di ricezione del superhet e un altro che è collegato in parallelo alla bobina dell'antenna al nucleo di ferrite. Si noti che la risonanza LC è necessaria solo quando l'antenna ad anello è molto più piccola della lunghezza d'onda di 1/4 nel raggio. Le antenne ad anello "elettricamente grandi" convenzionali non necessitano di questo condensatore; sono già della dimensione corretta per la loro lunghezza d'onda operativa e un condensatore di accordatura aggiunto peggiorerebbe le cose.

Ecco un'altra versione dell'intero problema.

Un trasformatore non è una coppia di antenne ad anello!

Ad esempio, prendi un trasformatore air-core con larghezza di pollice che funziona a 60Hz. Mentre spostiamo la bobina secondaria lontano dal primario, la connessione induttiva tra loro cade rapidamente a zero. Ciò accade perché il modello di campo che circonda la bobina primaria è identico a quello di un magnete a dipolo ... e l'intensità del flusso di dipoli diminuisce di 1 / r ^ 3. Aumenta la distanza primario-secondaria di 1000x e il flusso sulla bobina secondaria è un miliardo di volte più debole.

OK, ora aumenta la frequenza del convertitore, ma usa un generatore di segnale a corrente costante per mantenere la corrente della bobina primaria uguale a prima. All'inizio non succederà nulla di strano. Il trasformatore funziona allo stesso modo su un'ampia gamma di frequenze. Ma ad una frequenza estremamente alta, compaiono improvvisamente strani nuovi effetti. La bobina primaria, un induttore puro, sembra improvvisamente sviluppare una resistenza interna e l'energia inizia a perdere. Eppure la bobina non si sta riscaldando! L'energia sta scappando in qualche modo. E improvvisamente il valore del flusso ricevuto dalla bobina secondaria inizia ad aumentare. Le tue due bobine non sono più un trasformatore. Sono diventati un paio di antenne radio: antenne ad anello. Scoprirai persino che condensatori distanti (coppie di elettrodi separati) hanno ora iniziato a raccogliere il campo dalla bobina primaria. La forza del modello di campo non diminuisce più come 1 / r ^ 3, invece è più simile a una sorgente di luce e diminuisce con la distanza di 1 / r ^ 2. Con quale frequenza è successo tutto ciò? Indovina! :)

PS

Vedo che il Dr. Belcher del MIT ha trasferito quei mpeg originali su Youtube. Ecco tre visualizzazioni di un'antenna radio di base:

• Vicino: semplice induttore, il campo si espande e si contrae
• Medio: induttore radiante, il campo si stacca e vola via
• Lontano: le onde EM scorrono verso l'esterno da un'antenna

Ed ecco cosa succede quando improvvisamente separiamo una palla di midollo caricata positivamente da una negativa.

Quando si crea un induttore tradizionale, si sta cercando di ridurre al minimo l' induttanza di dispersione . In tal modo, si tenta di ottenere la maggior parte del campo magnetico per tagliare i giri di filo vicini. Un induttore toroidale è particolarmente bravo a mantenere il proprio campo per sé.

La parte "perdita" è quella che si irradia nello spazio, senza essere catturata dalla bobina. Questo è considerato "perdita", per quanto riguarda la bobina. Quando crei un'antenna, stai cercando di massimizzare questa perdita, perché vuoi che si irradi nello spazio.

Molto probabilmente ti starai chiedendo quale sia la condizione che utilizziamo in EMF chiamata Reciprocity .

La maggior parte delle antenne, come una delle più semplici e utili, è il dipolo elettrico . Poiché il sistema è sia lineare sia invariante nel tempo, puoi dimostrare con molta matematica che ricevere con un'antenna equivale a trasmettere. Questo viene usato, dopo aver dovuto analizzare alcune antenne, perché risolvere le equazioni per radiazione, con la sorgente dell'antenna e misurare il campo nello spazio libero è molto più facile che tentare il contrario.

Sopra ho notato la condizione per la linearità, le antenne che usano un nucleo magnetico spesso possono avere un comportamento non lineare, che spesso non è un problema fintanto che rimani in un intervallo accettabile di intensità di campo, ma significa anche che misurare la radiazione dal l'antenna spesso non è correlata all'intensità di ricezione. Un miglioramento nella rete di ottimizzazione è un miglioramento che probabilmente vedrai in entrambi i casi, ma fidarsi di un campo misurato per un campo trasmesso nel tuo cavo molto facilmente non corrisponderà al percorso opposto.

Come appare effettivamente il campo che lascia un'antenna? Userò di nuovo uno dei più semplici, il dipolo elettrico.

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

Quindi, quando hai un'onda nello spazio libero, si sta propagando senza confini. Quando si dispone di un'onda in un cavo, questo è normalmente legato tra i conduttori. Il cavo coassiale è un esempio di guida d'onda in modalità TEM limitata . Un lavoro di antenne è quello di abbinare e accoppiare l'onda nella guida d'onda all'impedenza dello spazio libero e aiutarla a irradiare. Mentre osservi un dipolo elettrico, puoi vedere che l'onda si sta accoppiando in questa struttura che si accoppierà facilmente nello spazio mentre i fili si separano. Questo è, almeno, un modo di pensarci.

Ho anche sottolineato il dipolo elettrico mentre ho parlato e mostrato esempi. Una cosa interessante a cui pensare è come funziona un'antenna ad anello. Un dipolo magnetico avrà lo stesso modello di campo del dipolo elettrico che hai visto, ma commuta le linee del campo elettrico con il magnetico e viceversa. Il problema è che il campo magnetico curvilineo non avrà un anello grande quanto un mezzo dipolo elettrico, e arrivare a quel punto è piuttosto difficile.

Si noti che in un induttore puro di induttanza L, l'impedenza Z = 2 pi FL j è puramente complessa e dalla legge di Ohm generalizzata V / I = Z quindi la corrente e la tensione saranno sfasate di 90 gradi e nessun trasferimento di potenza si verificherà.

Detto questo, le bobine del mondo reale non sono induttori puri ma hanno anche capacità e quindi potrebbero anche essere auto-risonanti a una certa frequenza.

Alle frequenze HF il manuale ARRL rileva che circa 0,5 lunghezze d'onda del filo avvolte su un supporto in fibra di vetro, con un "cappello di capacità" o carico del filo nella parte superiore creano un'antenna di compromesso utilizzabile per situazioni in cui un dipolo a mezza lunghezza d'onda o verticale a lunghezza d'onda di quarto è troppo grande .

Ho costruito un'antenna del genere per 3,8 Mhz, composta da circa 40m di filo distanziati di circa 1,5 cm per giro distanziati con stuzzicadenti incollati in fori praticati su un palo di diametro di circa 4 cm lungo circa 5-6 m. Il cappello della capacità era composto da 4 fili spessi (calibro 8) nella parte superiore lunghi circa 2 m. La messa a punto finale è stata eseguita con un analizzatore di antenne e una dozzina di giri di filo strettamente più avvolti nella parte inferiore per ottenere un incrocio di X = 0. R non è generalmente di 50 ohm, quindi è necessario un sintonizzatore per antenna. Questa configurazione era utilizzabile per stabilire contatti negli Stati Uniti orientali e centrali e dagli Stati Uniti orientali verso l'Europa con solo 100 Watt SSB. Generalmente le altre stazioni avevano un'antenna superiore ... ma era comunque utilizzabile.

Che aspetto ha un'energia che si irradia?

Questo è per la trasmissione di antenne. L'output AM è simile al seguente (in blu):

Migliore sintonizzazione dell'antenna, maggiore energia trasmessa.

Migliore sintonizzazione dell'antenna, meno energia riflessa.

Migliore sintonizzazione dell'antenna, migliore SWR.

Più energia trasmessa in aria, più energia ricevuta in un circuito sintonizzato!

Modifica: come richiesto nei commenti.

Cosa rende buona un'antenna?

La lunghezza dell'antenna corrisponde alla lunghezza d'onda del segnale che si sta tentando di ricevere o trasmettere. Anche la linea di alimentazione deve essere abbinata in modo tale che i segnali non vengano riflessi e vicino al 100% della potenza del segnale passi in entrambe le direzioni (tx o rx) e ci sia una perdita ridotta.

Sarai felice di sapere che anche l'impedenza del punto di alimentazione di un'antenna a dipolo a semionda ideale è in realtà parzialmente induttiva .