为什么电感器不是好的天线?


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[天线必须具有]沿其长度方向流动的电流,以便所产生的场将该能量辐射到太空中。(接收天线只是相反的过程)。

[这]解释了为什么您不能仅将小型储能电路粘贴在板上,并期望其有效地辐射。

来源

我从经验中了解这是真的,但我不明白为什么。我猜想天线的尺寸会以某种方式改变它产生的磁场,但是这如何使能量更有效地辐射出去呢?辐射散发出什么样的能量?

我确实了解需要调整天线。我只是想知道在调整了向天线的最大功率传输之后,如何将更多的能量传递到接收天线。


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请注意,在纯电感器中,阻抗Z = 2 pi F j是纯粹复杂的,因此电流和电压将异相90度,并且不会发生功率传输。
保罗

Answers:


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确实,这可能是一个非常好的天线。晶体管收音机和AM波段接收器别无其他。在那些无处不在的消费品中,天线由一块损耗极低的铁氧体组成,它具有很高的介电常数。它被包裹在许多安培*匝的非常细的铜线中。由于介电常数高(如果我没记错的话),高介电常数为天线提供了有效的横截面积,大约为一平方英里,从而使天线的电气尺寸达到了接收波长的尺寸。

在技​​术上,您可以考虑天线与辐射坡印廷矢量的磁场部分相互作用。

在此处输入图片说明


“ Poynting vector”也许让我记得比尔·比蒂(Bill Beaty)一篇关于我很久以前读过的主题的文章
Phil Frost

我很难理解“捕获横截面”的含义及其相关性。这和有效光圈是一样的吗?此天线是否也可以用作发射天线?虽然我了解发送和接收是对称的,但可以通过较高的增益轻松补偿效率低下的接收天线,而考虑到所涉及的功率水平,这对于发送天线而言将更加困难。
Phil Frost

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@PhilFrost语言已更改,摆脱了“捕获横截面”。我想,我的意思确实是猜测,我想确定。但是有疑问,由于材料限制,即高发射功率下铁氧体中的饱和效应,这不能成为一个好的发射天线。一旦铁氧体饱和的ü[R滴,然后将有效面积下降。
占位符

那讲得通。因此,也许您需要的电流不是很大,而是需要强磁场,这可以通过大电流和高磁导率来实现。
Phil Frost

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铁氧体磁芯用于磁导率(集中磁场),而不是用于介电常数(会影响电场)。像片状天线一样,介电常数也用于天线构造。有关此出色答案的更多信息,请访问:electronics.stackexchange.com/questions/243341/…–
remcycles

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电感器一定距离的场强至关重要。如果电感器被很好地屏蔽,并且附近空间的磁场为零,那么它就不会像天线一样起作用。明显。

那么,如何才能最大程度地增加电感器的远场并制造出优质的无线电天线?好吧,首先我们应该怀疑所涉及的距离。与感应器之间的特定距离处的磁场必须很强?答案:1/4波长。这是一个有点“神奇”的值,属于行进的EM波与导电物体相互作用的物理性质。如果来自电感器的1/4波长处的磁场微不足道,则该电感器针对该频率被电磁屏蔽。但是,如果该距离处的磁场很大,则电感器可以充当天线。

偶极天线辐射:麻省理工学院E&M课程

YT动画:天线周围的场

为什么是1/4波长?上图是麻省理工学院的E&M入门课程的MPG动画。仔细检查动画。交流电施加在中心的小线圈上,闭合的圆形磁场线的斑点随着EM波飞扬。但是非常靠近线圈的位置,磁场图没有向外飞。相反,它只是在扩张和崩溃。靠近我们的线圈天​​线,磁场类似于简单的电磁体。随着线圈电流的增加,它会扩大,然后向内塌陷当电流减小时。但是,在离开线圈很远的地方,花样的作用却大不相同,它只是连续向外移动。字段的行为在哪里进行更改?在0.25波长距离处。在1/4波的距离处,磁力线“缩颈”成瞬时的沙漏形,然后它们松散地剥开并向外飞出,成为长方形的闭合圆。

线圈的1/4波距离内的空间体积称为“近场区域”,表现出简单电感器的扩展/收缩场模式。在更远的距离,在Farfield区域,这些场仅表现为传播的EM辐射。

更多MIT动画特别是最后一个动画

确保场强在1/4波长处很强的最简单方法是构建一个像偶极电磁铁一样工作的电感器。但是,制作一个电磁极,其磁极相距大约半个波长。给自己买一个1/2波长长的铁氧体棒,然后将其用作电感芯。甚至更简单:只需将您的电感器缠绕成半径约为1/4波的环形线圈即可。

使磁场在1/4波距离处更强的另一种方法是使用非常小的电感器,但将电感器的电流提高到更高的值。在这种情况下,即使是很小的线圈也会发出大量的EM辐射。但这带来了实际问题:由于线圈发热,小线圈是效率低下的天线。如果大多数发射机的瓦特数会产生巨大的电流和天线热量,而不是发出EM波,那么您将耗尽电池电量(或从电力公司收取大笔账单。)在这种情况下,则不需要1/4波长塔。一个小的环形天线可以很好地工作,它可以远小于1/2波长。

对于便携式AM无线电及其相对较小的天线线圈,在这种情况下,我们使用更多的“魔术”来增加线圈电流。如果将电感器用作并联LC谐振器的一部分,则每当用小信号驱动电感器时,谐振LC环路中的电流就会增长到很高的值。它吸收入射的EM波,线圈的电流逐渐增大。它的增长仅受导线电阻的限制,如果电阻足够低,则仅受EM发射损耗的限制。处于谐振状态的零电阻线圈可以扩大其周围的磁场,直到与电感器相距1/4波的磁场强度等于入射EM波的磁场强度。在这种情况下,微小的线圈表现为“电较大”,表现为大约1/2波长的EM吸收器。(请注意,在550KHz的AM频段的低端,半波直径约为900英尺!)

与其他接收器不同,在AM波段便携式无线电中,有两个单独的调谐电容器:一个用于超级振荡器接收器系统一部分的本地振荡器,另一个用于与铁氧体磁芯天线线圈并联。注意,仅当环形天线的半径远小于1/4波长时,才需要LC谐振。常规的“电大”环形天线不需要此电容器。它们已经是适合其工作波长的尺寸,而增加调谐电容器只会使情况变得更糟。


这是对整个问题的另一种看法。

变压器不是一对环形天线!

例如,以运行60Hz的英寸宽的空心变压器为例。当我们使次级线圈远离初级线圈时,它们之间的电感连接迅速降为零。发生这种情况是因为围绕初级线圈的磁场模式与偶极磁体的磁场模式相同,并且偶极子的磁通强度下降了1 / r ^ 3。将初级-次级距离增加1000倍,次级线圈处的磁通弱十亿倍。

好的,现在增加驱动频率,但使用恒流信号发生器使初级线圈的电流与以前相同。起初,没有什么奇怪的会发生。您的变压器在很宽的频率范围内都可以正常工作。但是在某些极高的频率下,突然出现了奇怪的新效果。初级线圈(一个纯电感器)似乎突然形成一个内部电阻器,并且能量开始损失。但是线圈没有加热!能量正在以某种方式逃逸。突然,次级线圈接收到的磁通值开始增加。您的两个线圈不再是变压器。它们已经成为一对无线电天线:环形天线。您甚至会发现,远处的电容器(成对的独立电极)现在已经开始从初级线圈吸收磁场。场模式的强度不再像1 / r ^ 3那样下降,而更像是光源,并且随着距离像1 / r ^ 2一样下降。所有这些发生的频率是多少?猜测!:)

聚苯乙烯

我看到MIT的Belcher博士已经将这些原始的mpeg移植到了YouTube。这是基本无线电天线的三个视图:

这就是当我们突然将一个带正电的皮球与一个负的皮球分开时发生的情况


这是一个很好的答案。我学到了很多东西。
Rocketmagnet

我见过的最好的动画。+1。
米斯特先生(MisterMystère)2015年

[可能的破坏者] 11.8Ghz?-3e8m / s / 0.00254m?
Frederick

@Frederick是的,一个巨大的12GHz四分之一波长传输塔高约6mm!在毫米波频率下,即使您的外壳和地平面也成为天线。(我认为介电棒可以是毫米波天线。因此,玻璃板是天线,塑料提手是天线...也要沿光纤发送12ghz!
wbeaty

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当您制作传统电感器时,您试图将漏感降至最低。这样,您尝试获得尽可能多的磁场以切穿附近的线匝。环形电感器特别擅长保持其自身磁场。

“泄漏”部分是辐射到太空中而不被线圈捕获的部分。就线圈而言,这被认为是“损耗”。制作天线时,您试图将这种泄漏最大化,因为您希望它辐射到太空中。


那么,空气线圈电感器是否比环形天线更差?还是仅仅是效率相同的环形天线?
Phil Frost

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您获得的投票较少,因为您没有漂亮的图片。:)
Kortuk

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您很可能想知道我们在EMF中使用的称为“ 互惠”的条件

像最简单实用的天线之一一样,大多数天线都是电偶极子。由于系统既是线性的又是时不变的,因此可以通过大量的数学运算来证明,使用天线进行接收与进行发射是相同的。使用该方法必须分析一些天线,因为用天线源求解辐射方程,然后测量自由空间中的电场比尝试进行相反操作要容易得多。

上面我提到了线性的条件,使用磁芯的天线通常会具有非线性行为,只要您保持在可接受的场强范围内,这通常就不是问题,但这也意味着测量来自天线的辐射天线通常与接收强度不相关。在这两种情况下,您都可能会看到调谐网络的改进,但是,相信为传输到电缆中的磁场而测量的磁场很容易就不会匹配相反的路径。

实际上离开天线的场如何看?我将再次使用最简单的电偶极子之一。

来自Wikipedia.en.wikipedia.org/wiki/File:Felder_um_Dipol.jpg 来自:http : //en.wikipedia.org/wiki/File : Felder_um_Dipol.jpg

因此,当您在自由空间中遇到波浪时,波浪将无边界地传播。当电缆中有波时,通常将其束缚在导体之间。同轴电缆是有界的示例 TEM模式波导的。天线的工作是将波导中的波匹配并耦合到自由空间的阻抗,并帮助其辐射。当您观察电偶极子时,您会看到波正在耦合到该结构中,当导线分开时,该结构将平滑地耦合到空间中。至少,这是一种思考的方式。

我也已经说过并举例说明了电偶极子。要考虑的一个有趣的事情是环形天线的工作原理。一个磁偶极子将具有相同的场模式,你所看到的电偶极子,但开关与磁反之亦然电场线。问题在于,弯曲磁场不会像电偶极子那么大,因此很难做到这一点。


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请注意,在电感为L亨利的纯电感器中,阻抗Z = 2 pi FL j是纯粹复杂的,并且根据广义欧姆定律V / I = Z,因此电流和电压将异相90度,并且没有功率传递会发生。

就是说,现实世界中的线圈不是纯电感器,而是电容,因此甚至在某些频率下也会自谐振。

在HF频率下,ARRL手册指出,大约0.5波长的电线缠绕在玻璃纤维支架上,顶部带有“电容帽”或电线负载,可在半波长偶极子或四分之一波长垂直太大的情况下使用可用的折衷天线。 。

我已经建立了一种用于3.8 Mhz的天线,它由大约40m的导线组成,导线每匝间隔约1.5厘米,并用牙签粘在直径约5-6m长的直径约4cm的钻杆上。电容帽在顶部约2m长处是4根粗线(约8根)。最终调谐是使用天线分析仪进行的,底部还有十几个左右紧紧缠绕的线匝,以实现X = 0的交叉。R通常不是50欧姆,因此需要天线调谐器。这种设置可用于在美国东部和中部以及从美国东部到欧洲的仅100瓦SSB的联系。通常,其他电台的天线更好...但是仍然可以使用。


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辐射散发出什么样的能量?

这是用于发射天线的。AM输出看起来像这样(蓝色):

在此处输入图片说明

天线调谐效果更好,发射能量更多。

更好地调整天线,减少反射能量。

更好的天线调谐,更好的SWR。

更多的能量传递到空气中,更多的能量接收到调谐电路中!


编辑:按评论要求。

优质天线的优点是什么?

天线的长度与您要接收或发送的信号的波长匹配。馈线也应匹配,以使信号不会被反射,并且接近100%的信号功率沿任一方向(tx或rx)传递,并且损耗低。


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但是调谐电路不一定是好的天线。一种50Ω电阻可以产生很好的负载,但这是一个可怕的天线。我也可以使用电抗元件进行调谐,但这也不一定是好的天线。优质天线的优点是什么?
Phil Frost

@PhilFrost回答添加到我的帖子。
Chetan Bhargava 2013年

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