Tại sao một cuộn cảm không phải là một ăng-ten tốt?

[Một ăng ten phải có] dòng điện chạy dọc theo chiều dài của nó, để các trường kết quả tỏa năng lượng đó vào không gian. (Nhận anten chỉ là quá trình này ngược lại).

[Điều này] giải thích lý do tại sao bạn không thể dán một mạch xe tăng nhỏ lên một bảng và mong đợi nó tỏa ra hiệu quả.

^{( nguồn )}

Tôi hiểu điều này là đúng từ kinh nghiệm, nhưng tôi không hiểu tại sao. Tôi đoán kích thước của ăng-ten thay đổi các trường mà nó tạo ra bằng cách nào đó, nhưng làm thế nào điều này làm cho năng lượng tỏa ra hiệu quả hơn? Một năng lượng tỏa ra trông như thế nào?

Tôi hiểu sự cần thiết phải điều chỉnh ăng-ten. Tôi chỉ tự hỏi làm thế nào sau khi chúng tôi điều chỉnh để truyền năng lượng tối đa cho ăng-ten, chúng tôi nhận được nhiều năng lượng hơn để đi đến ăng-ten thu.

Quả thực nó có thể là một ăng ten rất tốt. Không tìm kiếm gì xa hơn các bóng bán dẫn và máy thu băng tần AM. Trong những mặt hàng tiêu dùng phổ biến đó, ăng ten bao gồm một mảnh ferrite tổn thất rất thấp với độ thẩm thấu rất cao. Điều này được bọc trong nhiều vòng amp * của dây đồng rất mịn. Độ thẩm thấu cao đã tạo cho anten một diện tích mặt cắt hiệu quả - tương ứng với độ thẩm thấu - (Nếu tôi nhớ chính xác) một dặm vuông hoặc hơn, do đó, đưa kích thước điện của ăng ten lên tới kích thước của bước sóng mà nó nhận được.

Trên một uốn cong kỹ thuật, bạn có thể xem xét rằng các râu tương tác với phần từ trường của vectơ Poynting bức xạ.

Cường độ trường ở khoảng cách từ cuộn cảm rất quan trọng. Nếu cuộn cảm được che chắn tốt, với trường 0 trong không gian gần đó, thì nó sẽ không hoạt động như một ăng ten. Chắc chắn.

Vậy, làm thế nào chúng ta có thể tối đa hóa trường xa của một cuộn cảm và tạo ra một ăng-ten radio tốt? Vâng, đầu tiên chúng ta nên tự hỏi về khoảng cách liên quan. Trường phải mạnh ở khoảng cách cụ thể từ cuộn cảm? Câu trả lời: 1/4 bước sóng. Đây là một giá trị 'ma thuật' nào đó rơi ra khỏi vật lý của sóng EM di chuyển tương tác với các vật dẫn điện. Nếu trường ở bước sóng 1/4 từ cuộn cảm là không đáng kể, thì cuộn cảm đang được bảo vệ điện từ cho tần số đó. Nhưng nếu trường có ý nghĩa ở khoảng cách đó, thì cuộn cảm có thể thực hiện như một ăng ten.

Hoạt hình YT: các trường xung quanh ăng-ten

Tại sao 1/4 bước sóng? Trên đây là hình ảnh động MPG từ khóa học giới thiệu E & M tại MIT. Kiểm tra hoạt hình cẩn thận. AC được áp dụng cho cuộn dây nhỏ ở trung tâm và các đốm của các đường trường tròn khép kín đang bay ra dưới dạng sóng EM. Nhưng rất gần với vị trí cuộn dây, mô hình trường không bay ra ngoài. Thay vào đó chỉ là mở rộng và sụp đổ. Gần với ăng-ten cuộn dây của chúng tôi, trường này giống như của một nam châm điện đơn giản. Nó mở rộng lớn hơn khi dòng điện cuộn tăng, và sụp xuống bên trongkhi dòng điện giảm. Nhưng ở khoảng cách rất xa từ cuộn dây, mô hình hoạt động rất khác nhau và nó chỉ di chuyển ra ngoài liên tục. Trường hợp hành vi của lĩnh vực làm cho sự thay đổi của nó? Ở khoảng cách 0,25 bước sóng. Ở khoảng cách 1/4 sóng, các đường trường được "thắt cổ" thành hình đồng hồ cát tạm thời, sau đó chúng bong ra và bay ra ngoài như những vòng tròn khép kín.

Thể tích không gian trong khoảng cách 1/4 sóng của cuộn dây được gọi là Vùng gần và thể hiện các mẫu trường mở rộng / hợp đồng của một cuộn cảm đơn giản. Ở khoảng cách xa hơn, ở Vùng Farfield, các trường chỉ hoạt động như bức xạ EM.

Nhiều hình ảnh động MIT thấy đặc biệt là cái cuối cùng

Cách đơn giản nhất để đảm bảo rằng trường mạnh ở khoảng cách 1/4 bước sóng là chế tạo một cuộn cảm hoạt động như một nam châm điện lưỡng cực. Nhưng tạo ra một nam châm điện trong đó các cực từ của nó cách nhau một nửa bước sóng. Mua cho mình một thanh ferrite dài 1/2 sóng, sau đó sử dụng thanh đó làm lõi cuộn cảm của bạn. Thậm chí đơn giản hơn: chỉ cần cuộn dây cảm ứng của bạn như một cuộn dây có bán kính khoảng 1/4 sóng.

Một cách khác để làm cho trường mạnh ở khoảng cách 1/4 sóng là sử dụng một cuộn cảm rất nhỏ, nhưng điều chỉnh dòng điện của cuộn cảm với giá trị cao hơn nhiều. Trong trường hợp này, ngay cả một cuộn dây rất nhỏ cũng có thể phát ra nhiều bức xạ EM. Nhưng điều này mang lại những vấn đề thực tế: cuộn dây nhỏ là ăng ten không hiệu quả vì làm nóng dây. Nếu hầu hết công suất máy phát của bạn đang tạo ra dòng điện và ăng ten cực lớn, thay vì phát ra sóng EM, bạn sẽ dùng hết pin (hoặc nhận hóa đơn lớn từ công ty điện.) Nếu điều này không thành vấn đề với bạn tình hình, sau đó không có tháp bước sóng 1/4. Một ăng ten vòng nhỏ sẽ hoạt động tốt, và nó có thể nhỏ hơn nhiều so với đường kính 1/2 sóng.

Đối với radio AM di động và cuộn ăng ten tương đối nhỏ của chúng, trong trường hợp đó, chúng tôi sử dụng thêm một số "ma thuật" để tăng dòng cuộn dây. Nếu một cuộn cảm được sử dụng như một phần của bộ cộng hưởng LC song song, thì bất cứ khi nào nó được điều khiển bằng tín hiệu nhỏ, dòng điện trong vòng LC cộng hưởng sẽ tăng lên giá trị rất cao. Nó hấp thụ sóng EM đến và dòng điện của cuộn dây ngày càng lớn dần. Sự tăng trưởng của nó chỉ bị giới hạn bởi điện trở dây, và nếu điện trở đủ thấp, thì nó chỉ bị giới hạn bởi tổn thất đối với phát xạ EM. Một cuộn dây có điện trở bằng 0, ở mức cộng hưởng, có thể phát triển các trường xung quanh cho đến khi cường độ trường ở khoảng cách 1/4 sóng từ cuộn cảm lớn bằng cường độ trường của sóng EM tới. Trong những điều kiện này, cuộn dây nhỏ hoạt động "lớn bằng điện" hành xử giống như một chất hấp thụ EM có đường kính khoảng 1/2 sóng. (Lưu ý rằng ở đầu thấp của dải AM ở 550KHz, đường kính nửa sóng là khoảng 900 feet!)

Không giống như các máy thu khác, trong các bộ đàm cầm tay băng tần AM có hai tụ điều chỉnh riêng biệt: một cho bộ tạo dao động cục bộ là một phần của hệ thống máy thu siêu âm và một bộ khác được kết nối song song với cuộn ăng ten lõi ferrite. Lưu ý rằng cộng hưởng LC chỉ cần thiết khi anten vòng nhỏ hơn nhiều so với bán kính 1/4 bước sóng. Anten vòng "điện lớn" thông thường không cần tụ điện này; chúng đã có kích thước phù hợp với bước sóng hoạt động của chúng và một tụ điện điều chỉnh được thêm vào sẽ khiến mọi thứ trở nên tồi tệ hơn.

Đây là một vấn đề khác về toàn bộ vấn đề.

Một máy biến áp không phải là một cặp ăng ten vòng!

Ví dụ, lấy một máy biến áp lõi không khí rộng một inch chạy ở tần số 60Hz. Khi chúng ta di chuyển cuộn thứ cấp ra xa khỏi cuộn sơ cấp, kết nối cảm ứng giữa chúng nhanh chóng rơi xuống không. Điều này xảy ra bởi vì mô hình trường xung quanh cuộn sơ cấp giống hệt với nam châm lưỡng cực ... và cường độ từ thông của lưỡng cực giảm xuống 1 / r ^ 3. Tăng khoảng cách sơ cấp thứ cấp lên 1000 lần, và từ thông ở cuộn thứ cấp yếu hơn hàng tỷ lần.

OK, bây giờ tăng tần số ổ đĩa, nhưng sử dụng một bộ tạo tín hiệu dòng không đổi để giữ cho dòng điện cuộn sơ cấp giống như trước đây. Lúc đầu không có gì kỳ lạ sẽ xảy ra. Máy biến áp của bạn hoạt động tương tự trên một dải tần số rộng. Nhưng ở một số tần số cực kỳ cao, đột nhiên các hiệu ứng mới lạ xuất hiện. Cuộn sơ cấp, một cuộn cảm thuần, đột nhiên dường như phát triển một điện trở bên trong và năng lượng bắt đầu bị mất. Tuy nhiên, cuộn dây không nóng lên! Năng lượng đang thoát ra bằng cách nào đó. Và đột nhiên giá trị của từ thông được nhận bởi cuộn thứ cấp bắt đầu tăng lên. Hai cuộn dây của bạn không còn là một biến áp. Chúng đã trở thành một cặp ăng ten vô tuyến: ăng ten lặp. Thậm chí bạn sẽ phát hiện ra rằng các tụ điện ở xa (các cặp điện cực riêng biệt) giờ đã bắt đầu lấy trường từ cuộn sơ cấp. Độ mạnh của mô hình trường không còn giảm xuống là 1 / r ^ 3, thay vào đó, nó giống như một nguồn sáng hơn và rơi với khoảng cách là 1 / r ^ 2. Ở tần số nào đã xảy ra tất cả điều này? Phỏng đoán! :)

PS

Tôi thấy rằng Tiến sĩ Belcher của MIT đã chuyển những mpeg gốc đó lên Youtube. Dưới đây là ba chế độ xem của ăng ten radio cơ bản:

• Gần: cuộn cảm đơn giản, trường mở rộng và hợp đồng
• Trung bình: cuộn cảm phóng xạ, trường bong ra và bay đi
• Xa: Sóng EM chảy ra từ ăng ten

Và đây là những gì xảy ra khi chúng ta đột nhiên tách một quả bóng tích điện dương ra khỏi một quả bóng âm.

Khi bạn thực hiện một cuộn cảm truyền thống, bạn đang cố gắng giảm thiểu độ tự cảm rò rỉ . Làm như vậy, bạn cố gắng lấy càng nhiều từ trường để cắt qua các vòng dây gần đó. Một cuộn cảm hình xuyến đặc biệt tốt trong việc giữ trường của nó với chính nó.

Phần "rò rỉ" là phần tỏa ra ngoài không gian, mà không bị cuộn dây bắt. Điều này được coi là "mất mát", liên quan đến cuộn dây. Khi bạn tạo ra một ăng-ten, bạn đang cố gắng tối đa hóa sự rò rỉ này, bởi vì bạn muốn nó tỏa ra không gian.

Bạn rất có thể tự hỏi về điều kiện mà chúng tôi sử dụng trong EMF được gọi là Reciprocity .

Hầu hết các ăng-ten, giống như một trong những đơn giản và hữu ích nhất, là lưỡng cực điện . Bởi vì hệ thống là cả tuyến tính và bất biến theo thời gian, bạn có thể hiển thị với rất nhiều phép toán mà việc nhận bằng ăng ten cũng giống như truyền. Điều này được sử dụng, đã phải phân tích một vài ăng-ten, bởi vì việc giải các phương trình cho bức xạ, với nguồn ăng-ten và đo trường trong không gian trống dễ dàng hơn nhiều sau đó thử ngược lại.

Ở trên tôi đã lưu ý điều kiện về tính tuyến tính, các anten sử dụng lõi từ thường có thể có hành vi phi tuyến tính, điều này thường không phải là vấn đề miễn là bạn ở trong phạm vi cường độ trường chấp nhận được, nhưng điều đó cũng có nghĩa là đo bức xạ từ ăng ten thường không tương quan với cường độ nhận. Một cải tiến trong mạng điều chỉnh là một cải tiến mà bạn có thể sẽ thấy trong cả hai trường hợp, nhưng tin tưởng một trường được đo cho một trường được truyền vào cáp của bạn rất dễ dàng không khớp với đường ngược lại.

Làm thế nào để trường thực sự để lại một ăng-ten trông? Tôi sẽ sử dụng một trong những đơn giản nhất một lần nữa, lưỡng cực điện.

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

Vì vậy, khi bạn có một sóng trong không gian trống, nó đang lan truyền không có ranh giới. Khi bạn có sóng trong cáp, nó thường bị ràng buộc giữa các dây dẫn. Cáp Coax là một ví dụ về ống dẫn sóng chế độ TEM giới hạn . Một công việc của ăng-ten là ghép và ghép sóng trong ống dẫn sóng với trở kháng của không gian trống và giúp nó phát ra. Khi bạn nhìn vào một lưỡng cực điện, bạn có thể thấy rằng sóng được ghép vào cấu trúc này sẽ kết hợp trơn tru vào không gian khi các dây bị tách ra. Đó là, tối thiểu, một cách để suy nghĩ về nó.

Tôi cũng đã đưa ra quan điểm về lưỡng cực điện như tôi đã nói và đưa ra các ví dụ. Một điều thú vị để suy nghĩ là làm thế nào một ăng ten vòng lặp hoạt động. Một lưỡng cực từ sẽ có mô hình trường giống như lưỡng cực điện mà bạn đã thấy, nhưng chuyển đổi các đường sức điện trường bằng từ tính và ngược lại. Vấn đề là từ trường cong sẽ không có vòng lặp lớn như một nửa lưỡng cực điện, và đến thời điểm đó khá khó khăn.

Lưu ý rằng trong một cuộn cảm thuần của cuộn cảm L henries, trở kháng Z = 2 pi FL j hoàn toàn phức tạp, và từ định luật Ohms tổng quát V / I = Z nên dòng điện và điện áp sẽ lệch pha 90 độ và không truyền điện sẽ xảy ra.

Điều đó nói rằng, cuộn dây trong thế giới thực không phải là cuộn cảm thuần mà còn có điện dung và do đó thậm chí có thể tự cộng hưởng ở một tần số nào đó.

Ở tần số HF, sổ tay ARRL lưu ý rằng khoảng 0,5 bước sóng của dây được bọc trên giá đỡ bằng sợi thủy tinh, với "mũ điện dung" hoặc tải dây ở trên đỉnh tạo ra ăng ten thỏa hiệp có thể sử dụng cho các trường hợp trong đó một nửa bước sóng nửa bước sóng hoặc một phần tư bước sóng quá lớn .

Tôi đã chế tạo một ăng-ten như vậy cho 3,8 Mhz, bao gồm khoảng 40m dây cách nhau khoảng ~ 1,5 cm mỗi vòng cách nhau bằng tăm được dán vào các lỗ được khoan trên cột có đường kính ~ 4cm dài khoảng 5-6m. Mũ điện dung là 4 dây dày (~ 8) ở đầu dài khoảng 2m. Điều chỉnh cuối cùng được thực hiện với một bộ phân tích ăng-ten và hơn một chục vòng dây quấn chặt ở phía dưới để đạt được mức chéo X = 0. R thường không phải là 50 ohms nên cần có bộ thu sóng ăng ten. Thiết lập này có thể sử dụng để thực hiện liên lạc quanh miền đông và miền trung Hoa Kỳ và từ miền đông Hoa Kỳ đến Châu Âu chỉ với 100 Watts SSB. Nói chung các trạm khác có ăng-ten vượt trội ... nhưng vẫn có thể sử dụng được.

Một năng lượng tỏa ra trông như thế nào?

Đây là để truyền ăng ten. Đầu ra AM trông như thế này (màu xanh lam):

Điều chỉnh ăng-ten của bạn tốt hơn, năng lượng truyền đi nhiều hơn.

Tốt hơn điều chỉnh ăng-ten của bạn, năng lượng phản xạ ít hơn.

Điều chỉnh ăng-ten tốt hơn, SWR của bạn tốt hơn.

Nhiều năng lượng truyền vào không khí, nhiều năng lượng nhận được vào một mạch điều chỉnh!

Chỉnh sửa: Như đã hỏi trong ý kiến.

Điều gì làm cho một ăng-ten tốt tốt?

Độ dài của ăng ten phù hợp với bước sóng của tín hiệu bạn đang cố nhận hoặc truyền. Đường truyền cũng phải được khớp để các tín hiệu không bị phản xạ và gần với công suất tín hiệu 100% truyền theo một trong hai hướng (tx hoặc rx) và có tổn thất thấp.

Bạn sẽ rất vui mừng khi biết rằng ngay cả trở kháng điểm nạp của một ăng ten lưỡng cực nửa sóng lý tưởng thực sự là một phần cảm ứng .