¿Por qué un inductor no es una buena antena?

[Una antena debe tener] corriente que fluya a lo largo de su longitud, de modo que los campos resultantes irradien esa energía al espacio. (Las antenas receptoras son solo este proceso a la inversa).

[Esto] explica por qué no puedes pegar un pequeño circuito de tanque en una placa y esperar que irradie eficientemente.

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Entiendo que esto es cierto por experiencia, pero no entiendo por qué. Supongo que la dimensión de la antena cambia los campos que produce de alguna manera, pero ¿cómo hace que la energía se irradie más eficazmente? ¿Cómo es una energía que irradia?

Entiendo la necesidad de sintonizar la antena. Me pregunto cómo después de sintonizar la transferencia de potencia máxima a la antena, obtenemos más de esa energía para ir a la antena receptora.

De hecho, puede ser una muy buena antena. No busque más allá de las radios de transistores y los receptores de banda AM. En esos bienes de consumo ubicuos, la antena consistía en una pieza de ferrita de muy baja pérdida con una permitividad muy alta. Esto estaba envuelto en muchas vueltas de amperios * de alambre de cobre muy fino. La alta permitividad le dio a las antenas un área de sección transversal efectiva -debido a la permitividad- (si no recuerdo mal) de una milla cuadrada más o menos, elevando así el tamaño eléctrico de la antena a las dimensiones de la longitud de onda que estaba recibiendo.

En una inclinación técnica, podría considerar que las antenas interactúan con la porción del campo magnético del vector de Poynting radiante.

La intensidad de campo a una distancia del inductor es de importancia crítica. Si el inductor está bien protegido, con un campo cero en el espacio cercano, entonces no actuará como una antena. Obviamente.

Entonces, ¿cómo podemos maximizar el campo distante de un inductor y crear una buena antena de radio? Bueno, primero debemos preguntarnos sobre la distancia involucrada. El campo debe ser fuerte a qué distancia particular del inductor? La respuesta: 1/4 de longitud de onda. Este es un valor algo "mágico" que cae de la física de las ondas EM que viajan interactuando con objetos conductores. Si el campo a 1/4 de longitud de onda del inductor es insignificante, entonces el inductor está blindado electromagnéticamente para esa frecuencia. Pero si el campo es significativo a esa distancia, entonces el inductor puede funcionar como una antena.

Animación YT: campos que rodean una antena.

¿Por qué 1/4 de longitud de onda? Arriba hay una animación MPG del curso de introducción E&M en el MIT. Examina la animación cuidadosamente. Se aplica CA a la pequeña bobina en el centro, y gotas de líneas de campo circulares cerradas vuelan como ondas EM. Pero muy cerca de la ubicación de la bobina, el patrón de campo no vuela hacia afuera. En cambio, solo se está expandiendo y colapsando. Cerca de nuestra antena de bobina, el campo se parece al de un simple electroimán. Se expande más grande a medida que aumenta la corriente de la bobina y se contraecuando la corriente disminuye. Pero a una gran distancia de la bobina, el patrón actúa de manera muy diferente y simplemente se mueve hacia afuera continuamente. ¿Dónde cambia el comportamiento del campo? A una distancia de 0.25 longitudes de onda. A una distancia de 1/4 de onda, las líneas de campo se están "estrechando" en forma momentánea de reloj de arena, luego se sueltan y vuelan hacia afuera como círculos cerrados oblongos.

El volumen de espacio dentro de la distancia de 1/4 de onda de la bobina se llama Región Nearfield, y exhibe los patrones de campo de expansión / contracción de un inductor simple. A mayor distancia, en la región de Farfield, los campos se comportan solo como radiación EM itinerante.

Más animaciones del MIT, especialmente la última.

La forma más sencilla de garantizar que el campo sea fuerte a una distancia de 1/4 de longitud de onda es construir un inductor que actúe como un electroimán dipolo. Pero haga un electroimán donde sus polos magnéticos estén separados aproximadamente a media longitud de onda. Cómprate una varilla de ferrita de 1/2 onda de largo, luego usa esa varilla como núcleo del inductor. Aún más simple: simplemente enrolle su inductor como una bobina de aro con un radio de aproximadamente 1/4 de onda.

Otra forma de fortalecer el campo a una distancia de 1/4 de onda es usar un inductor muy pequeño, pero elevar la corriente del inductor a un valor mucho más alto. En este caso, incluso una bobina muy pequeña podría emitir mucha radiación EM. Pero esto trae problemas prácticos: las bobinas pequeñas son antenas ineficientes debido al calentamiento del alambre. Si la mayor parte de la potencia de su transmisor va a generar una inmensa corriente y calor de antena, en lugar de emitir ondas EM, va a agotar sus baterías (o obtendrá grandes facturas de la compañía eléctrica). Si esto no importa en su situación, entonces no se necesita una torre de 1/4 de longitud de onda. Una antena de bucle pequeña funcionará bien y puede ser mucho más pequeña que un diámetro de 1/2 onda.

En cuanto a las radios AM portátiles y sus bobinas de antena relativamente pequeñas, en ese caso usamos algo más de "magia" para aumentar la corriente de la bobina. Si se emplea un inductor como parte de un resonador LC paralelo, entonces cada vez que se activa con una pequeña señal, la corriente en el bucle LC resonante crece a un valor muy alto. Absorbe las ondas EM entrantes y la corriente de la bobina aumenta progresivamente. Su crecimiento solo está limitado por la resistencia del cable, y si la resistencia es lo suficientemente baja, entonces está limitada solo por las pérdidas por emisiones EM. Una bobina de resistencia cero, en resonancia, puede hacer crecer sus campos circundantes hasta que la intensidad de campo a una distancia de 1/4 de onda del inductor sea tan grande como la intensidad de campo de las ondas EM entrantes. En estas condiciones, la pequeña bobina se comporta "eléctricamente grande" comportándose como un absorbedor EM de aproximadamente 1/2 de diámetro de onda. (¡Tenga en cuenta que en el extremo inferior de la banda AM a 550 KHz, un diámetro de media onda es de aproximadamente 900 pies!)

A diferencia de otros receptores, en las radios portátiles de banda AM hay dos condensadores de sintonización separados: uno para el oscilador local que forma parte del sistema receptor superhet y otro que está conectado en paralelo a la bobina de antena de núcleo de ferrita. Tenga en cuenta que la resonancia LC solo es necesaria cuando la antena de bucle es mucho más pequeña que 1/4 de longitud de onda en radio. Las antenas de bucle "eléctricamente grandes" convencionales no necesitan este condensador; ya tienen el tamaño adecuado para su longitud de onda operativa, y un condensador de sintonización adicional empeoraría las cosas.

Aquí hay otra versión de todo el asunto.

¡Un transformador no es un par de antenas de bucle!

Por ejemplo, tome un transformador de núcleo de aire de una pulgada de ancho que funcione a 60Hz. A medida que alejamos la bobina secundaria de la bobina primaria, la conexión inductiva entre ellas cae rápidamente a cero. Esto sucede porque el patrón de campo que rodea la bobina primaria es idéntico al de un imán dipolo ... y la intensidad de flujo de los dipolos disminuye como 1 / r ^ 3. Aumente la distancia primaria-secundaria en 1000x, y el flujo en la bobina secundaria es mil millones de veces más débil.

OK, ahora aumente la frecuencia del variador, pero use un generador de señal de corriente constante para mantener la corriente de la bobina primaria igual que antes. Al principio no pasará nada extraño. Su transformador funciona igual en un amplio rango de frecuencias. Pero a una frecuencia extremadamente alta, de repente aparecen nuevos efectos extraños. La bobina primaria, un inductor puro, de repente parece desarrollar una resistencia interna, y la energía comienza a perderse. ¡Sin embargo, la bobina no se está calentando! La energía está escapando de alguna manera. Y de repente, el valor del flujo que recibe la bobina secundaria comienza a aumentar. Sus dos bobinas ya no son un transformador. Se han convertido en un par de antenas de radio: antenas de bucle. Incluso descubrirá que los condensadores distantes (pares de electrodos separados) ahora han comenzado a recoger el campo de la bobina primaria. La fuerza del patrón de campo ya no se reduce a 1 / r ^ 3, sino que se parece más a una fuente de luz y cae con una distancia de 1 / r ^ 2. ¿Con qué frecuencia ocurrió todo esto? ¡Adivinar! :)

PD

Veo que el Dr. Belcher del MIT ha portado esos archivos MPEG originales a Youtube. Aquí hay tres vistas de una antena de radio básica:

• Cerca: inductor simple, el campo se expande y contrae
• Medio: inductor radiante, el campo se desprende y sale volando
• Lejos: las ondas EM fluyen hacia afuera desde una antena

Y esto es lo que sucede cuando de repente separamos una bola de médula cargada positivamente de una negativa.

Cuando haces un inductor tradicional, estás tratando de minimizar la inductancia de fuga . Al hacerlo, intenta obtener la mayor cantidad de campo magnético para cortar a través de giros de cable cercanos. Un inductor toroidal es particularmente bueno para mantener su campo en sí mismo.

La parte de "fuga" es la que se irradia hacia el espacio, sin ser capturada por la bobina. Esto se considera como "pérdida", en lo que respecta a la bobina. Cuando haces una antena, estás tratando de maximizar esta fuga, porque quieres que se irradie al espacio.

Es muy probable que se pregunte sobre la condición que utilizamos en EMF llamada Reciprocidad .

La mayoría de las antenas, como una de las más simples y útiles, es el dipolo eléctrico . Debido a que el sistema es lineal e invariante en el tiempo, puede demostrar con mucha matemática que recibir con una antena es lo mismo que transmitir. Esto se usa, después de haber tenido que analizar algunas antenas, porque resolver las ecuaciones de radiación con la fuente de antena y medir el campo en el espacio libre es mucho más fácil que intentar lo contrario.

Anteriormente noté la condición de linealidad, las antenas que usan un núcleo magnético a menudo pueden tener un comportamiento no lineal, lo que a menudo no es un problema siempre y cuando permanezca en un rango aceptable de intensidad de campo, pero también significa que medir la radiación del antena a menudo no se correlaciona con la fuerza de recepción. Una mejora en la red de sintonización es una mejora que probablemente verá en ambos casos, pero confiar en un campo medido para un campo transmitido a su cable no coincidirá muy fácilmente con la ruta opuesta.

¿Cómo se ve realmente el campo que deja una antena? Voy a usar uno de los más simples nuevamente, el dipolo eléctrico.

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

Entonces, cuando tienes una ola en el espacio libre, se propaga sin límites. Cuando tiene una onda en un cable, normalmente está unida entre los conductores. El cable coaxial es un ejemplo de una guía de onda del modo TEM acotada . Un trabajo de antenas es hacer coincidir y acoplar la onda en la guía de ondas a la impedancia del espacio libre y ayudarla a irradiar. Al mirar un dipolo eléctrico, puede ver que la onda se está acoplando a esta estructura que se acoplará suavemente al espacio a medida que los cables se separan. Esa es, como mínimo, una forma de pensarlo.

También he señalado el dipolo eléctrico como he hablado y mostrado ejemplos. Una cosa interesante para pensar es cómo funciona una antena de bucle. Un dipolo magnético tendrá el mismo patrón de campo que el dipolo eléctrico que ha visto, pero cambiando las líneas del campo eléctrico con el magnético y viceversa. El problema es que el campo magnético curvo no tendrá un bucle tan grande como un medio dipolo eléctrico, y llegar a ese punto es bastante difícil.

Tenga en cuenta que en un inductor puro de inductancia L henries, la impedancia Z = 2 pi FL j es puramente compleja, y según la ley generalizada de Ohms V / I = Z, la corriente y el voltaje estarán 90 grados fuera de fase y no habrá transferencia de potencia. ocurrira.

Dicho esto, las bobinas del mundo real no son inductores puros, sino que también tienen capacitancia y, por lo tanto, incluso podrían ser auto-resonantes a alguna frecuencia.

En las frecuencias HF, el manual de ARRL señala que aproximadamente 0.5 longitudes de onda del cable envuelto en un soporte de fibra de vidrio, con un "sombrero de capacitancia" o carga de cable en la parte superior, crea una antena de compromiso utilizable para situaciones en las que un dipolo de media longitud de onda o un cuarto de longitud de onda vertical es demasiado grande .

He construido una antena de este tipo para 3,8 Mhz, que consta de unos 40 m de cable espaciados aproximadamente ~ 1.5 cm por turno espaciados con palillos de dientes pegados en agujeros perforados en un poste de ~ 4 cm de diámetro de aproximadamente 5-6 m de largo. El sombrero de capacitancia tenía 4 cables gruesos (~ calibre 8) en la parte superior de aproximadamente 2 m de largo. La sintonización final se realizó con un analizador de antena y una docena de vueltas adicionales de alambre fuertemente enrolladas en la parte inferior para lograr un cruce de X = 0. R generalmente no es de 50 ohmios, por lo que se requiere un sintonizador de antena. Esta configuración fue utilizable para hacer contactos en el este y centro de los EE. UU. Y desde el este de los EE. UU. Hasta Europa con solo 100 vatios SSB. En general, las otras estaciones tenían una antena superior ... pero aún así esto era utilizable.

¿Cómo es una energía que irradia?

Esto es para transmitir antenas. La salida de AM se ve así (en azul):

Mejor sintonización de su antena, más la energía transmitida.

Mejor sintonización de su antena, menos energía reflejada.

Mejor su sintonización de antena, mejor su SWR.

¡Más energía transmitida al aire, más energía recibida en un circuito sintonizado!

Editar: según lo solicitado en los comentarios.

¿Qué es lo que hace que una buena antena sea buena?

La longitud de la antena coincide con la longitud de onda de la señal que está intentando recibir o transmitir. La línea de alimentación también debe coincidir para que las señales no se reflejen y cerca del 100% de la potencia de la señal pase en cualquier dirección (tx o rx) y haya poca pérdida.

Le encantará saber que incluso la impedancia del punto de alimentación de una antena dipolo de media onda ideal es en realidad parcialmente inductiva .