Warum ist eine Induktivität keine gute Antenne?

[Eine Antenne muss Strom haben], der entlang ihrer Länge fließt, so dass die resultierenden Felder diese Energie in den Raum abstrahlen. (Empfangsantennen sind genau dieser Vorgang in umgekehrter Reihenfolge).

[Dies] erklärt, warum man einen kleinen Panzerkreis nicht einfach auf eine Platine kleben und erwarten kann, dass er effizient strahlt.

^{( Quelle )}

Ich verstehe, dass dies aus Erfahrung zutrifft, aber ich verstehe nicht warum. Ich schätze, die Größe der Antenne verändert die Felder, die sie erzeugt, irgendwie. Aber wie lässt dies Energie effektiver abstrahlen ? Wie sieht eine Energie aus, die ausstrahlt?

Ich verstehe die Notwendigkeit, die Antenne abzustimmen . Ich frage mich nur, wie wir, nachdem wir die maximale Leistungsübertragung auf die Antenne eingestellt haben, mehr von dieser Energie zur Empfangsantenne bringen können.

In der Tat kann es eine sehr gute Antenne sein. Suchen Sie nicht weiter als die Transistorradios und AM-Band-Empfänger. In diesen allgegenwärtigen Konsumgütern bestand die Antenne aus einem Stück sehr verlustarmen Ferrits mit einer sehr hohen Permittivität. Dies wurde in viele Amperewindungen aus sehr feinem Kupferdraht gewickelt. Die hohe Permittivität gab den Antennen eine effektive Querschnittsfläche - aufgrund der Permittivität - (wenn ich mich richtig erinnere) von etwa einer Quadratmeile, wodurch die elektrische Größe der Antenne auf die Dimensionen der Wellenlänge gebracht wurde, die sie empfing.

Aus technischer Sicht könnte man annehmen, dass die Antennen mit dem Magnetfeldanteil des strahlenden Poynting-Vektors wechselwirkten.

Die Feldstärke im Abstand vom Induktor ist von entscheidender Bedeutung. Wenn der Induktor gut abgeschirmt ist und sich kein Feld in der Nähe befindet, verhält er sich nicht wie eine Antenne. Offensichtlich.

Wie können wir also das Fernfeld eines Induktors maximieren und eine gute Funkantenne erstellen? Nun, zuerst sollten wir uns über die Entfernung wundern. Das Feld muss in welchem ​​bestimmten Abstand vom Induktor stark sein? Die Antwort: 1/4 Wellenlänge. Dies ist ein etwas "magischer" Wert, der aus der Physik der wandernden EM-Wellen, die mit leitenden Objekten interagieren, herausfällt. Wenn das Feld bei 1/4 Wellenlänge vom Induktor unbedeutend ist, wird der Induktor für diese Frequenz elektromagnetisch abgeschirmt. Ist das Feld in dieser Entfernung jedoch signifikant, kann der Induktor als Antenne fungieren.

YT-Animation: Felder, die eine Antenne umgeben

Warum 1/4-Wellenlänge? Oben ist eine MPG-Animation aus dem Einführungskurs E & M am MIT zu sehen. Untersuche die Animation sorgfältig. An die kleine Spule in der Mitte wird Wechselstrom angelegt, und Blobs geschlossener kreisförmiger Feldlinien fliegen als EM-Wellen ab. Ganz in der Nähe der Spulenposition fliegt das Feldmuster jedoch nicht nach außen. Stattdessen wird nur erweitert und reduziert. In der Nähe unserer Spulenantenne ähnelt das Feld dem eines einfachen Elektromagneten. Sie dehnt sich mit zunehmendem Spulenstrom aus und fällt nach innen abwenn der Strom abnimmt. In großem Abstand von der Spule wirkt das Muster jedoch sehr unterschiedlich und bewegt sich nur kontinuierlich nach außen. Wo verändert sich das Verhalten des Feldes? Bei 0,25 Wellenlängenabstand. Im Abstand von 1/4-Wellen "verengen" sich die Feldlinien zu einer momentanen Sanduhrform, dann lösen sie sich und fliegen als längliche, geschlossene Kreise nach außen.

Das Raumvolumen innerhalb eines Viertelwellenabstands von der Spule wird als Nahfeldregion bezeichnet und zeigt die sich ausdehnenden / zusammenziehenden Feldmuster eines einfachen Induktors. In größerer Entfernung verhalten sich die Felder in der Farfield-Region nur als wandernde EM-Strahlung.

Weitere MIT-Animationen sehen vor allem die allerletzten

Der einfachste Weg, um zu gewährleisten, dass das Feld in einem Abstand von 1/4 Wellenlänge stark ist, besteht darin, einen Induktor aufzubauen, der wie ein Dipol-Elektromagnet wirkt. Stellen Sie jedoch einen Elektromagneten her, dessen Magnetpole ungefähr eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt sind. Kaufen Sie sich eine 1/2-Wellen-Ferritstange und verwenden Sie diese als Induktorkern. Noch einfacher: Wickeln Sie Ihren Induktor einfach als Reifenspule mit einem Radius von etwa 1/4-Welle.

Eine andere Möglichkeit, das Feld in einem Abstand von 1/4-Wellen stark zu machen, besteht darin, eine sehr kleine Induktivität zu verwenden, den Strom der Induktivität jedoch auf einen viel höheren Wert anzukurbeln. In diesem Fall könnte sogar eine sehr kleine Spule viel EM-Strahlung abgeben. Dies bringt jedoch praktische Probleme mit sich: Kleine Spulen sind aufgrund der Drahtheizung ineffiziente Antennen. Wenn der größte Teil Ihrer Sendeleistung in der Erzeugung von immenser Strom- und Antennenwärme besteht, anstatt EM-Wellen zu emittieren, werden Ihre Batterien erschöpft (oder Sie erhalten hohe Rechnungen von der Elektrizitätsgesellschaft) Situation, dann ist kein 1/4-Wellenlängen-Turm erforderlich. Eine kleine Rahmenantenne funktioniert einwandfrei und kann viel kleiner als 1/2-Wellendurchmesser sein.

Wie bei tragbaren AM-Radios und ihren relativ kleinen Antennenspulen verwenden wir in diesem Fall etwas mehr "Magie", um den Spulenstrom zu erhöhen. Wenn ein Induktor als Teil eines parallelen LC-Resonators verwendet wird, steigt der Strom in der resonierenden LC-Schleife immer dann auf einen sehr hohen Wert, wenn er mit einem kleinen Signal angesteuert wird. Es absorbiert ankommende EM-Wellen und der Strom der Spule wird zunehmend größer. Sein Wachstum wird nur durch den Drahtwiderstand begrenzt, und wenn der Widerstand niedrig genug ist, wird er nur durch Verluste der EM-Emission begrenzt. Eine Spule mit Nullwiderstand kann bei Resonanz ihre umgebenden Felder vergrößern, bis die Feldstärke im Abstand von 1/4-Wellen vom Induktor so groß ist wie die Feldstärke der einfallenden EM-Wellen. Unter diesen Bedingungen verhält sich die winzige Spule "elektrisch groß". Verhalten wie ein EM-Absorber mit ca. 1/2-Wellendurchmesser. (Beachten Sie, dass am unteren Ende des AM-Bandes bei 550 kHz ein Halbwellendurchmesser etwa 900 Fuß beträgt!)

Im Gegensatz zu anderen Empfängern gibt es bei tragbaren AM-Band-Funkgeräten zwei separate Abstimmkondensatoren: einen für den Lokaloszillator, der Teil des Superhet-Empfängersystems ist, und einen anderen, der parallel zur Ferritkern-Antennenspule geschaltet ist. Beachten Sie, dass die LC-Resonanz nur erforderlich ist, wenn die Rahmenantenne einen Radius von weniger als 1/4-Wellenlänge hat. Herkömmliche "elektrisch große" Rahmenantennen benötigen diesen Kondensator nicht. Sie haben bereits die richtige Größe für ihre Betriebswellenlänge, und ein zusätzlicher Abstimmkondensator würde die Situation nur verschlimmern.

Hier ist eine andere Einstellung zum ganzen Thema.

Ein Transformator ist kein Paar Rahmenantennen!

Nehmen Sie zum Beispiel einen Zoll breiten Luftkerntransformator, der mit 60 Hz betrieben wird. Wenn wir die Sekundärspule weit weg von der Primärspule bewegen, fällt die induktive Verbindung zwischen ihnen schnell auf Null. Dies geschieht, weil das die Primärspule umgebende Feldmuster mit dem eines Dipolmagneten identisch ist ... und die Flussintensität der Dipole mit 1 / r ^ 3 abnimmt. Erhöhen Sie den Primär-Sekundär-Abstand um das 1000-fache, und der Fluss an der Sekundärspule ist milliardenfach schwächer.

OK, erhöhen Sie jetzt die Antriebsfrequenz, verwenden Sie jedoch einen Konstantstromsignalgenerator, um den Strom der Primärspule wie zuvor zu halten. Zunächst wird nichts Seltsames passieren. Ihr Transformator arbeitet über einen weiten Frequenzbereich gleich. Aber bei einer extrem hohen Frequenz treten plötzlich seltsame neue Effekte auf. Die Primärspule, ein reiner Induktor, scheint plötzlich einen internen Widerstand zu entwickeln und Energie geht verloren. Trotzdem heizt sich die Spule nicht auf! Energie entweicht irgendwie. Und plötzlich beginnt der Wert des Flusses, der von der Sekundärspule empfangen wird, anzusteigen. Ihre beiden Spulen sind kein Transformator mehr. Sie sind zu einem Paar von Funkantennen geworden: Ringantennen. Sie werden sogar feststellen, dass weit entfernte Kondensatoren (Paare separater Elektroden) das Feld von der Primärspule aufgenommen haben. Die Stärke des Feldmusters nimmt nicht mehr mit 1 / r ^ 3 ab, sondern eher mit einer Lichtquelle und mit 1 / r ^ 2 ab. Mit welcher Häufigkeit geschah dies alles? Vermuten! :)

PS

Ich sehe, dass Dr. Belcher vom MIT diese Original-MPEGs auf Youtube portiert hat. Hier sind drei Ansichten einer grundlegenden Funkantenne:

• Nahe bei: einfacher Induktor, das Feld dehnt sich aus und zieht sich zusammen
• Medium: Strahlungsinduktor, das Feld löst sich und fliegt weg
• Fern: EM-Wellen fließen von einer Antenne nach außen

Und das passiert, wenn wir plötzlich eine positiv geladene von einer negativen Markkugel trennen.

Wenn Sie einen herkömmlichen Induktor herstellen, versuchen Sie, die Streuinduktivität zu minimieren . Auf diese Weise versuchen Sie, so viel Magnetfeld wie möglich durch nahegelegene Drahtwindungen zu schneiden. Ein torusförmiger Induktor ist besonders gut darin, sein Feld für sich zu behalten.

Der "Leck" -Teil ist der Teil, der in den Weltraum abstrahlt, ohne von der Spule erfasst zu werden. Dies wird für die Spule als "Verlust" angesehen. Wenn Sie eine Antenne zu machen, versuchen Sie zu maximieren diese Leckage, weil Sie wollen es in den Raum abstrahlen.

Sie wundern sich sehr wahrscheinlich über die Bedingung, die wir bei EMF verwenden, die als Reziprozität bezeichnet wird .

Die meisten Antennen, wie eine der einfachsten und nützlichsten, sind elektrische Dipole . Da das System sowohl linear als auch zeitinvariant ist, können Sie mit viel Mathematik zeigen, dass das Empfangen mit einer Antenne dasselbe ist wie das Senden. Dies wird verwendet, nachdem einige Antennen analysiert werden mussten, da das Lösen der Strahlungsgleichungen mit der Antennenquelle und das Messen des Feldes im freien Raum viel einfacher ist als der Versuch des Gegenteils.

Oben habe ich die Bedingung für die Linearität notiert. Antennen, die einen Magnetkern verwenden, können häufig ein nichtlineares Verhalten aufweisen. Dies ist oft kein Problem, solange Sie in einem akzeptablen Bereich der Feldstärke bleiben Antenne korreliert oft nicht mit der Empfangsstärke. Eine Verbesserung des Tuning-Netzwerks ist eine Verbesserung, die Sie wahrscheinlich in beiden Fällen feststellen werden. Wenn Sie jedoch einem Feld vertrauen, das für ein in Ihr Kabel übertragenes Feld gemessen wurde, kann dies sehr leicht zu einer Abweichung führen.

Wie sieht das Feld aus, das eine Antenne hinterlässt? Ich werde wieder einen der einfachsten benutzen, den elektrischen Dipol.

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

Wenn Sie also eine Welle im freien Raum haben, breitet sie sich grenzenlos aus. Wenn Sie eine Welle in einem Kabel haben, wird diese normalerweise zwischen den Leitern gebunden. Das Koaxialkabel ist ein Beispiel für einen Wellenleiter mit begrenztem TEM- Modus . Eine Antennenaufgabe besteht darin, die Welle im Wellenleiter an die Impedanz des freien Raums anzupassen und zu koppeln und ihre Abstrahlung zu unterstützen. Wenn Sie sich einen elektrischen Dipol ansehen, können Sie feststellen, dass sich die Welle in diese Struktur einkoppelt, die sich beim Auseinanderziehen der Drähte reibungslos in den Raum einkoppelt. Das ist zumindest ein Weg, darüber nachzudenken.

Ich habe auch darauf hingewiesen, elektrischen Dipol zu sagen, wie ich gesprochen und Beispiele gezeigt habe. Interessant ist, wie eine Rahmenantenne funktioniert. Ein magnetischer Dipol hat das gleiche Feldmuster wie der elektrische Dipol, jedoch werden die elektrischen Feldlinien mit dem Magneten vertauscht und umgekehrt. Das Problem ist, dass das krümmende Magnetfeld dort nicht annähernd so groß ist wie ein elektrischer Halbdipol, und dass es ziemlich schwierig ist, an diesen Punkt zu gelangen.

Es ist zu beachten, dass in einem reinen Induktor der Induktivität L henries die Impedanz Z = 2 pi FL j rein komplex ist und gemäß dem verallgemeinerten Ohmschen Gesetz V / I = Z der Strom und die Spannung um 90 Grad phasenverschoben sind und keine Leistungsübertragung stattfinden wird passieren.

Das heißt, reale Spulen sind keine reinen Induktoren, sondern haben auch Kapazität und könnten daher bei einer bestimmten Frequenz sogar selbstresonant sein.

Bei HF-Frequenzen stellt das ARRL-Handbuch fest, dass ein Draht mit einer Wellenlänge von ca. 0,5, der auf einen Glasfaserträger gewickelt ist, mit einem "Kapazitätshut" oder einer Drahtlast oben eine verwendbare Kompromissantenne für Situationen schafft, in denen ein Dipol mit halber Wellenlänge oder eine vertikale Viertelwellenlänge zu groß ist .

Ich habe eine solche Antenne für 3,8 Mhz gebaut, bestehend aus ca. 40 m Draht mit einem Abstand von ca. 1,5 cm pro Umdrehung und Zahnstochern, die in Löcher eingeklebt sind, die an einem ca. 5 bis 6 m langen Stab mit einem Durchmesser von ca. 4 cm gebohrt wurden. Der Kapazitätshut bestand aus 4 dicken (~ 8 mm) Drähten, die oben ca. 2 m lang waren. Die endgültige Abstimmung wurde mit einem Antennenanalysator und etwa einem Dutzend zusätzlich dicht gewickelten Drahtwindungen am Boden durchgeführt, um eine Kreuzung von X = 0 zu erreichen. Da R im Allgemeinen nicht 50 Ohm beträgt, ist ein Antennentuner erforderlich. Mit diesem Aufbau konnten mit nur 100 Watt SSB Kontakte in den östlichen und zentralen USA sowie von den östlichen USA nach Europa geknüpft werden. Im Allgemeinen hatten die anderen Stationen eine überlegene Antenne, aber diese war immer noch brauchbar.

Wie sieht eine Energie aus, die ausstrahlt?

Dies dient zum Senden von Antennen. Die AM-Ausgabe sieht wie folgt aus (in blau):

Je besser Ihre Antenne eingestellt ist, desto mehr Energie wird übertragen.

Besseres Antennen-Tuning, weniger reflektierte Energie.

Besseres Antennen-Tuning, besseres SWR.

Mehr Energie in die Luft übertragen, mehr Energie in einen abgestimmten Kreislauf!

Bearbeiten: Wie in Kommentaren gefragt.

Was macht eine gute Antenne aus?

Die Länge der Antenne ist auf die Wellenlänge des Signals abgestimmt, das Sie empfangen oder senden möchten. Die Zuleitung sollte auch so angepasst werden, dass die Signale nicht reflektiert werden und nahezu 100% der Signalleistung in beide Richtungen (tx oder rx) übertragen werden und dass nur geringe Verluste auftreten.

Sie werden erfreut sein zu wissen, dass sogar die Speisepunktimpedanz einer idealen Halbwellendipolantenne tatsächlich teilweise induktiv ist .