ทำไมตัวเหนี่ยวนำไม่ใช่เสาอากาศที่ดี?

[สายอากาศต้องมี] กระแสที่ไหลไปตามความยาวของมันดังนั้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจึงแผ่พลังงานออกสู่อวกาศ (การรับเสาอากาศเป็นเพียงกระบวนการนี้ในสิ่งที่ตรงกันข้าม)

[สิ่งนี้] อธิบายว่าทำไมคุณไม่สามารถติดวงจรรถถังเล็ก ๆ บนบอร์ดและคาดว่ามันจะแผ่รังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพ

^{(ที่มา )}

ฉันเข้าใจว่าสิ่งนี้เป็นจริงจากประสบการณ์ แต่ฉันไม่เข้าใจว่าทำไม ฉันเดาว่ามิติของเสาอากาศจะเปลี่ยนสนามที่มันสร้างขึ้นมาได้ แต่สิ่งนี้ทำให้พลังงานแผ่ออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นได้อย่างไร? พลังงานที่เปล่งประกายออกมาเป็นอย่างไร?

ฉันเข้าใจถึงความจำเป็นในการปรับจูนเสาอากาศ ฉันแค่สงสัยว่าหลังจากที่เราปรับจูนพลังงานสูงสุดไปยังเสาอากาศแล้วเราจะได้รับพลังงานมากขึ้นเพื่อไปยังเสาอากาศรับสัญญาณ

แน่นอนมันอาจเป็นเสาอากาศที่ดีมาก มองไม่ไกลไปกว่าวิทยุทรานซิสเตอร์และเครื่องรับคลื่นความถี่ AM ในสินค้าอุปโภคบริโภคที่แพร่หลายนั้นเสาอากาศประกอบด้วยเฟอร์ไรต์ที่มีการสูญเสียต่ำมากและมีการอนุญาตที่สูงมาก สิ่งนี้ถูกห่อหุ้มด้วยแอมป์จำนวนมาก * หันของลวดทองแดงที่ดีมาก การอนุญาตแบบสูงทำให้เสาอากาศเป็นพื้นที่ตัดขวางที่มีประสิทธิภาพ - เนื่องจากการอนุญาต - (ถ้าฉันจำได้อย่างถูกต้อง) เป็นตารางไมล์หรือประมาณนั้น

คุณอาจพิจารณาว่าเสาอากาศมีปฏิสัมพันธ์กับส่วนของสนามแม่เหล็กของเวกเตอร์ Poynting ที่แผ่รังสี

ความแรงของสนามที่ระยะห่างจากตัวเหนี่ยวนำมีความสำคัญอย่างยิ่ง หากตัวเหนี่ยวนำมีการป้องกันที่ดีโดยมีศูนย์เป็นศูนย์ในพื้นที่ใกล้เคียงแล้วมันจะไม่ทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศ อย่างชัดเจน

ดังนั้นเราจะเพิ่มสนามระยะไกลของตัวเหนี่ยวนำและสร้างเสาอากาศวิทยุที่ดีได้อย่างไร ก่อนอื่นเราควรสงสัยเกี่ยวกับระยะทางที่เกี่ยวข้อง สนามจะต้องแข็งแกร่งในระยะห่างที่เฉพาะเจาะจงจากตัวเหนี่ยวนำ? คำตอบ: 1/4 ความยาวคลื่น นี่เป็นค่าที่ 'วิเศษ' ซึ่งหลุดพ้นจากฟิสิกส์ของการเดินทางของคลื่น EM ที่โต้ตอบกับวัตถุนำไฟฟ้า หากสนามที่ความยาวคลื่น 1/4 จากตัวเหนี่ยวนำไม่มีนัยสำคัญตัวเหนี่ยวนำจะถูกป้องกันด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับความถี่นั้น แต่ถ้าสนามมีความสำคัญในระยะห่างนั้นตัวเหนี่ยวนำสามารถทำหน้าที่เป็นเสาอากาศได้

แอนิเมชัน YT: ฟิลด์ที่ล้อมรอบเสาอากาศ

ทำไมต้องมีความยาวคลื่น 1/4? ด้านบนเป็นภาพเคลื่อนไหว MPG จากหลักสูตร E&M ที่ MIT ตรวจสอบภาพเคลื่อนไหวอย่างระมัดระวัง AC ถูกนำไปใช้กับขดลวดเล็ก ๆ ที่อยู่ตรงกลางและ blobs ของเส้นสนามวงกลมแบบปิดจะโบยบินราวกับคลื่น EM แต่ใกล้กับตำแหน่งขดลวดมากรูปแบบของสนามไม่ได้บินออกไปด้านนอก แทนที่จะเป็นเพียงการขยายและยุบ ใกล้กับเสาอากาศคอยล์ของเราสนามคล้ายกับแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมดา มันจะขยายใหญ่ขึ้นเมื่อขดลวดเพิ่มขึ้นและยุบเข้าด้านในเมื่อกระแสลดลง แต่เมื่ออยู่ในระยะที่ห่างจากขดลวดมากลวดลายนั้นก็จะมีความแตกต่างกันมาก การทำงานของฟิลด์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในที่ใด ที่ระยะทาง 0.25 ความยาวคลื่น ที่ระยะทาง 1/4-wave เส้นเขตข้อมูลจะ "คอ" ลงในรูปนาฬิกาทรายชั่วขณะจากนั้นจะหลุดออกและบินออกไปเป็นวงกลมวงปิด

ปริมาตรของพื้นที่ภายในระยะทาง 1/4-wave ของคอยล์เรียกว่าย่าน Nearfield และแสดงรูปแบบการขยาย / การหดตัวของตัวเหนี่ยวนำอย่างง่าย ในระยะทางที่ไกลกว่านี้ในเขต Farfield ทุ่งนาจะทำงานเฉพาะเมื่อมีการแผ่รังสี EM เท่านั้น

มีภาพเคลื่อนไหวของ MIT มากขึ้นโดยเฉพาะภาพสุดท้าย

วิธีที่ง่ายที่สุดในการรับประกันว่าสนามนั้นแข็งแกร่งในระยะทาง 1/4 ของความยาวคลื่นคือการสร้างตัวเหนี่ยวนำซึ่งทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กไฟฟ้าไดโพล แต่สร้างแม่เหล็กไฟฟ้าโดยที่ขั้วแม่เหล็กของมันอยู่ห่างกันประมาณครึ่งคลื่น ซื้อแท่งเฟอร์ไรต์ให้ตัวเองที่มีความยาว 1/2-Wave แล้วใช้แท่งนั้นเป็นแกนเหนี่ยวนำของคุณ เรียบง่ายยิ่งขึ้น: เพียงหมุนตัวเหนี่ยวนำของคุณเป็นขดลวดด้วยรัศมีประมาณ 1/4-wave

อีกวิธีหนึ่งในการทำให้สนามแรงในระยะทาง 1/4-wave คือการใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กมาก แต่หมุนตัวเหนี่ยวนำของกระแสให้มีค่าสูงขึ้นมาก ในกรณีนี้แม้แต่ขดลวดขนาดเล็กมากก็สามารถเปล่งรังสี EM ได้มากมาย แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาในทางปฏิบัติ: ขดลวดขนาดเล็กเป็นเสาอากาศที่ไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากการทำความร้อนด้วยลวด หากกำลังส่งของคุณส่วนใหญ่กำลังสร้างกระแสไฟฟ้าและความร้อนของเสาอากาศมากกว่าคลื่น EM ที่ปล่อยออกมาคุณกำลังจะหมดแบตเตอรีของคุณ (หรือรับตั๋วเงินจำนวนมากจาก บริษัท ไฟฟ้า) หากสิ่งนี้ไม่สำคัญสำหรับคุณ สถานการณ์ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีหอคอย 1/4-wavelength เสาอากาศวนเล็กจะทำงานได้ดีและมันอาจมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลาง 1/2-wave

สำหรับวิทยุ AM แบบพกพาและขดลวดเสาอากาศขนาดเล็กในกรณีนี้เราใช้ "เวทย์มนตร์" มากกว่านี้เพื่อเพิ่มกระแสคอยล์ หากมีการใช้ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนหนึ่งของ resonator LC แบบขนานดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่มันถูกขับเคลื่อนด้วยสัญญาณขนาดเล็กกระแสในวง LC resonating จะเติบโตเป็นค่าที่สูงมาก มันดูดซับคลื่น EM ที่เข้ามาและกระแสของคอยล์จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การเจริญเติบโตของมันถูก จำกัด โดยความต้านทานลวดและถ้าความต้านทานต่ำพอก็จะถูก จำกัด โดยการสูญเสียการปล่อย EM ขดลวดความต้านทานแบบศูนย์ที่เรโซแนนสามารถเติบโตสนามรอบ ๆ ได้จนกว่าความแรงของสนามที่ระยะ 1/4-wave จากตัวเหนี่ยวนำมีขนาดใหญ่เท่ากับความแรงของสนามของคลื่น EM ที่เข้ามา ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ขดลวดเล็ก ๆ จะทำงาน "ใหญ่ด้วยไฟฟ้า" ประพฤติเหมือนตัวดูดซับ EM ของเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1/2-wave (โปรดสังเกตว่าที่ระดับต่ำสุดของคลื่นความถี่ AM ที่ 550KHz เส้นผ่าศูนย์กลางครึ่งคลื่นจะอยู่ที่ประมาณ 900 ฟุต!)

ซึ่งแตกต่างจากเครื่องรับอื่น ๆ ในวิทยุแบบพกพา AM-band นั้นมีตัวเก็บประจุแบบแยกสองตัว: ตัวหนึ่งสำหรับ oscillator ท้องถิ่นที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบตัวรับ superhet และตัวอื่น ๆ ที่เชื่อมต่อขนานกับขดลวดเสาอากาศเฟอร์ไรต์แกนเฟอร์ไรต์ โปรดทราบว่าการสั่นพ้อง LC เป็นสิ่งจำเป็นเฉพาะเมื่อเสาอากาศแบบลูปมีขนาดเล็กกว่า 1/4-wavelength ในรัศมี เสาอากาศวนแบบ "ใหญ่ด้วยไฟฟ้า" ไม่ต้องการตัวเก็บประจุนี้ พวกเขามีขนาดที่เหมาะสมสำหรับความยาวคลื่นปฏิบัติการและตัวเก็บประจุแบบปรับแต่งเพิ่มเติมจะทำให้สิ่งเลวร้ายลง

นี่คืออีกประเด็นในเรื่องทั้งหมด

หม้อแปลงไม่ได้เป็นเสาอากาศแบบลูป!

ตัวอย่างเช่นใช้ตัวแปลงแกนอากาศแบบหน้ากว้างที่ทำงานที่ 60Hz ในขณะที่เราย้ายขดลวดทุติยภูมิอยู่ห่างจากปฐมภูมิการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำจะลดลงเหลือศูนย์ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากรูปแบบสนามที่ล้อมรอบขดลวดปฐมภูมินั้นเหมือนกับแม่เหล็กไดโพล ... และความเข้มของฟลักซ์ของไดโพลจะลดลงเมื่อ 1 / r ^ 3 เพิ่มระยะทางหลักทุติยภูมิ 1000 เท่าและฟลักซ์ที่ขดลวดทุติยภูมินั้นอ่อนแอกว่าพันล้านเท่า

ตกลงตอนนี้เพิ่มความถี่ไดรฟ์ แต่ใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณคงที่เพื่อให้ขดลวดหลักของเดิมเหมือนก่อน ตอนแรกไม่มีอะไรแปลกที่จะเกิดขึ้น หม้อแปลงไฟฟ้าของคุณทำงานเหมือนกันในช่วงความถี่ที่กว้าง แต่ในบางความถี่ที่สูงมากเอฟเฟกต์แปลก ๆ ก็ปรากฏขึ้น ขดลวดปฐมภูมิตัวเหนี่ยวนำที่บริสุทธิ์ทันใดนั้นดูเหมือนว่าจะพัฒนาตัวต้านทานภายในและพลังงานเริ่มหายไป แต่ขดลวดไม่ร้อนขึ้น! พลังงานกำลังหนีไปอย่างใด ทันใดนั้นค่าฟลักซ์ที่ได้รับจากขดลวดทุติยภูมิเริ่มเพิ่มขึ้น คอยส์ทั้งสองของคุณไม่ใช่หม้อแปลงอีกต่อไป พวกมันกลายเป็นเสาวิทยุคู่หนึ่ง: เสาอากาศวน คุณจะค้นพบว่าตัวเก็บประจุที่ห่างไกล (อิเล็กโทรดแบบแยกคู่) ได้เริ่มเก็บฟิลด์จากขดลวดปฐมภูมิแล้ว ความแข็งแรงของรูปแบบฟิลด์ไม่ลดลงอีกต่อไปเป็น 1 / r ^ 3 แทนที่จะเป็นเหมือนแหล่งกำเนิดแสงมากกว่าและตกหล่นด้วยระยะทางเท่ากับ 1 / r ^ 2 ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นที่ความถี่ใด เดา! :)

PS

ฉันเห็นว่าDr. Belcher ของ MITได้ทำการแปลง mpegs ดั้งเดิมเหล่านั้นลงใน Youtube นี่คือสามมุมมองของเสาอากาศวิทยุพื้นฐาน:

• ใกล้: เหนี่ยวนำง่ายสนามขยายและสัญญา
• ขนาดกลาง: ตัวเหนี่ยวนำแผ่รังสีสนามจะหลุดออกและหลุดไป
• ไกล: คลื่น EM ไหลออกจากเสาอากาศ

และนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเราแยก pith-ball ที่มีประจุบวกออกจากเชิงลบทันที

เมื่อคุณสร้างตัวเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมคุณกำลังพยายามลดการเหนี่ยวนำให้น้อยที่สุด ในการทำเช่นนั้นคุณพยายามดึงสนามแม่เหล็กให้มากที่สุดเพื่อตัดลวดรอบ ๆ ตัวเหนี่ยวนำแบบ Toroidal นั้นดีในการรักษาสนามไว้กับตัวมันเอง

ส่วน "การรั่วไหล" คือสิ่งที่แผ่ออกไปสู่อวกาศโดยไม่ถูกจับโดยขดลวด สิ่งนี้ถือได้ว่าเป็น "การสูญเสีย" ตราบเท่าที่ขดลวดเกี่ยวข้อง เมื่อคุณสร้างเสาอากาศคุณพยายามที่จะเพิ่มการรั่วไหลนี้เพราะคุณต้องการให้มันแผ่ออกไปในอวกาศ

คุณจะมีโอกาสมากที่สงสัยเกี่ยวกับเงื่อนไขที่ว่าเราใช้ใน EMF เรียกว่าแลกเปลี่ยน

เสาอากาศมากที่สุดเช่นหนึ่งที่ง่ายที่สุดและมีประโยชน์เป็นขั้วคู่ไฟฟ้า เนื่องจากระบบมีทั้งแบบเส้นตรงและแบบไม่แปรผันคุณจึงสามารถแสดงผลได้ด้วยคณิตศาสตร์อย่างมากซึ่งการรับด้วยเสาอากาศนั้นเหมือนกับการส่งสัญญาณ สิ่งนี้ถูกนำมาใช้ต้องมีการวิเคราะห์เสาอากาศสองสามอันเพราะการแก้สมการการแผ่รังสีกับแหล่งกำเนิดเสาอากาศและการวัดสนามในพื้นที่ว่างนั้นง่ายกว่ามากแล้วจึงพยายามตรงกันข้าม

ดังกล่าวข้างต้นฉันระบุเงื่อนไขสำหรับการเชิงเส้น, เสาอากาศที่ใช้แกนแม่เหล็กมักจะมีพฤติกรรมที่ไม่ใช่เชิงเส้นซึ่งมักจะไม่เป็นปัญหาตราบใดที่คุณยังคงอยู่ในช่วงที่ยอมรับของความแรงของสนาม แต่ก็หมายความว่าการวัดรังสีจาก เสาอากาศมักจะไม่สัมพันธ์กับกำลังรับ การปรับปรุงในเครือข่ายการจูนนั้นเป็นการปรับปรุงที่คุณจะเห็นได้ในทั้งสองกรณี แต่การเชื่อใจว่าฟิลด์ที่วัดสำหรับฟิลด์ที่ส่งไปยังสายเคเบิลของคุณนั้นง่ายมากที่จะไม่ตรงกับเส้นทางตรงกันข้าม

สนามจะออกจากเสาอากาศจริง ๆ อย่างไร? ฉันจะใช้หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดอีกครั้งคือไดโพลไฟฟ้า

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

ดังนั้นเมื่อคุณมีคลื่นในพื้นที่ว่างมันจะแพร่กระจายโดยไม่มีขอบเขต เมื่อคุณมีคลื่นในสายเคเบิลมันมักจะถูกผูกไว้ระหว่างตัวนำ สาย Coax เป็นตัวอย่างของการ จำกัดTEMโหมดท่อนำคลื่น งานเสาอากาศคือการจับคู่และคลื่นคู่ในท่อนำคลื่นกับความต้านทานของพื้นที่ว่างและช่วยให้มันแผ่ เมื่อคุณดูไดโพลไฟฟ้าคุณจะเห็นได้ว่าคลื่นมีการเชื่อมต่อเข้ากับโครงสร้างนี้ซึ่งจะเชื่อมโยงกับพื้นที่อย่างราบรื่นในขณะที่สายไฟแยกออกจากกัน นั่นคืออย่างน้อยที่สุดวิธีคิดเกี่ยวกับมัน

ฉันยังพูดถึงไดโพลไฟฟ้าเมื่อฉันได้พูดและแสดงตัวอย่าง สิ่งที่น่าสนใจที่จะคิดก็คือการทำงานของเสาอากาศแบบวนรอบ แม่เหล็กขั้วจะมีรูปแบบเขตเดียวกับขั้วไฟฟ้าที่คุณได้เห็น แต่เปลี่ยนเส้นสนามไฟฟ้ากับแม่เหล็กและในทางกลับกัน ปัญหาคือสนามแม่เหล็กที่โค้งจะไม่มีวงขนาดใหญ่เท่ากับขั้วไฟฟ้าครึ่งและการไปยังจุดนั้นค่อนข้างยาก

โปรดสังเกตว่าในการเหนี่ยวนำบริสุทธิ์ของการเหนี่ยวนำ L henries อิมพีแดนซ์ Z = 2 pi FL j นั้นมีความซับซ้อนอย่างแท้จริงและจากกฎของโอห์มทั่วไป V / I = Z ดังนั้นกระแสและแรงดันไฟฟ้าจะอยู่ที่ 90 องศาจากเฟสและไม่มีการถ่ายโอนอำนาจ จะเกิดขึ้น

ที่กล่าวว่าขดลวดโลกแห่งความจริงไม่ใช่ตัวเหนี่ยวนำที่บริสุทธิ์ แต่ก็มีความจุและด้วยเหตุนี้จึงอาจเป็นจังหวะด้วยตนเองในบางความถี่

ที่ความถี่ HF คู่มือ ARRL จะบันทึกว่าประมาณ 0.5 ความยาวคลื่นของลวดที่ห่อหุ้มด้วยไฟเบอร์กลาสที่รองรับด้วย "หมวกความจุ" หรือโหลดลวดที่ด้านบนสร้างเสาอากาศประนีประนอมที่ใช้งานได้สำหรับสถานการณ์ที่แนวคลื่นสองครึ่ง .

ฉันได้สร้างเสาอากาศขนาด 3.8 Mhz ซึ่งประกอบด้วยลวดประมาณ 40 เมตรเว้นระยะห่างประมาณ 1.5 ซม. ต่อเทิร์นด้วยไม้จิ้มฟันติดกาวลงในรูที่เจาะบนเสาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4 ซม. ยาวประมาณ 5-6 ม. หมวกความจุคือสายไฟ 4 เส้น (~ เกจ 8) ที่ความยาวสูงสุดประมาณ 2 ม. การปรับแต่งขั้นสุดท้ายทำด้วยเครื่องวิเคราะห์เสาอากาศและอีกสิบโหลหรือมากกว่านั้นทำให้แผลลวดพันแน่นที่ด้านล่างเพื่อให้ได้ค่า X = 0 โดยทั่วไปแล้วจะไม่ได้ 50 โอห์มดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีเสาอากาศ การตั้งค่านี้สามารถใช้ในการติดต่อรอบทิศตะวันออกและตอนกลางของสหรัฐอเมริกาและจากตะวันออกไปยังยุโรปด้วย SSB เพียง 100 วัตต์ โดยทั่วไปสถานีอื่น ๆ มีเสาอากาศที่เหนือกว่า ... แต่ก็ยังใช้งานได้อยู่

พลังงานที่เปล่งประกายออกมาเป็นอย่างไร?

นี่คือการส่งสัญญาณเสาอากาศ เอาต์พุต AM มีลักษณะดังนี้ (เป็นสีน้ำเงิน):

ปรับแต่งเสาอากาศของคุณดีขึ้นส่งพลังงานมากขึ้น

ปรับแต่งเสาอากาศของคุณดีกว่าพลังงานที่สะท้อนกลับน้อยลง

ปรับแต่งเสาอากาศของคุณดีขึ้น SWR ของคุณดีขึ้น

พลังงานที่ส่งไปสู่อากาศมากขึ้นพลังงานที่ได้รับในวงจรที่ปรับเพิ่มขึ้น!

แก้ไข: ตามที่ถามในความคิดเห็น

อะไรที่ทำให้เสาอากาศดี?

ความยาวของเสาอากาศที่ตรงกับความยาวคลื่นของสัญญาณที่คุณพยายามรับหรือส่ง ควรจับคู่ฟีดไลน์เพื่อให้สัญญาณไม่ได้สะท้อนและใกล้ถึง 100% ของสัญญาณพลังงานที่ส่งผ่านในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง (tx หรือ rx) และมีการสูญเสียต่ำ

คุณจะมีความยินดีที่จะรู้ว่าแม้ความต้านทานจุดฟีดของเหมาะครึ่งคลื่นขั้วเสาอากาศเป็นจริงอุปนัยบางส่วน