Por que um indutor não é uma boa antena?

[Uma antena deve ter] corrente fluindo ao longo de seu comprimento, para que os campos resultantes irradiem essa energia para o espaço. (As antenas receptoras são apenas esse processo ao contrário).

[Isso] explica por que você não pode simplesmente colocar um pequeno circuito de tanque em uma placa e esperar que ele irradie com eficiência.

^{( fonte )}

Entendo que isso é verdade por experiência própria, mas não entendo o porquê. Eu acho que a dimensão da antena altera os campos que produz de alguma forma, mas como isso faz com que a energia irradie de maneira mais eficaz? Como é uma energia irradiando?

Eu entendo a necessidade de sintonizar a antena. Só estou imaginando como, depois de sintonizarmos a transferência máxima de energia para a antena, obtemos mais dessa energia para a antena receptora.

Na verdade, pode ser uma antena muito boa. Não procure mais do que os rádios transistores e os receptores de banda AM. Nesses bens de consumo onipresentes, a antena consistia em um pedaço de ferrita de perda muito baixa com uma permissividade muito alta. Isso foi envolvido em muitas voltas de amplificação * de fio de cobre muito fino. A alta permissividade dava às antenas uma área de seção transversal efetiva - devido à permissividade - (se bem me lembro) de uma milha quadrada, elevando assim o tamanho elétrico da antena às dimensões do comprimento de onda que estava recebendo.

Em uma inclinação técnica, você poderia considerar que as antenas interagiam com a parte do campo magnético do vetor Poynting radiante.

A intensidade do campo à distância do indutor é extremamente importante. Se o indutor estiver bem protegido, com zero campo no espaço próximo, ele não funcionará como uma antena. Obviamente.

Então, como podemos maximizar o campo distante de um indutor e criar uma boa antena de rádio? Bem, primeiro devemos nos perguntar sobre a distância envolvida. O campo deve ser forte a que distância específica do indutor? A resposta: 1/4 de comprimento de onda. Este é um valor um tanto "mágico" que cai fora da física das ondas EM que viajam interagindo com objetos condutores. Se o campo a 1/4 do comprimento de onda do indutor for insignificante, o indutor será blindado eletromagneticamente para essa frequência. Mas se o campo for significativo a essa distância, o indutor poderá atuar como uma antena.

Animação YT: campos ao redor de uma antena

Por que 1/4 de comprimento de onda? Acima está uma animação MPG do curso introdutório de E&M no MIT. Examine a animação cuidadosamente. A CA é aplicada à bobina pequena no centro e bolhas de linhas de campo circulares fechadas voam como ondas EM. Mas muito perto do local da bobina, o padrão de campo não está voando para fora. Em vez disso, está apenas se expandindo e entrando em colapso. Perto da nossa antena helicoidal, o campo se assemelha ao de um simples eletroímã. Expande maior à medida que a corrente da bobina aumenta e entra em colapso para dentroquando a corrente diminui. Mas a uma grande distância da bobina, o padrão age de maneira muito diferente e apenas se move para fora continuamente. Onde o comportamento do campo faz sua mudança? À distância de 0,25 comprimento de onda. A uma distância de 1/4 de onda, as linhas de campo estão "se abrindo" em uma forma de ampulheta momentânea; então elas se soltam e voam para fora como círculos fechados oblongos.

O volume de espaço a uma distância de 1/4 de onda da bobina é chamado Região Nearfield e exibe os padrões de campo em expansão / contração de um indutor simples. A uma distância maior, na região de Farfield, os campos se comportam apenas como radiação EM itinerante.

Mais animações do MIT veem especialmente a última

A maneira mais simples de garantir que o campo seja forte a uma distância de 1/4 do comprimento de onda é construir um indutor que atue como um eletroímã dipolo. Mas faça um eletroímã onde seus pólos magnéticos estejam aproximadamente a meio comprimento de onda. Compre uma barra de ferrite com 1/2 onda de comprimento e use-a como núcleo indutor. Ainda mais simples: basta enrolar o seu indutor como uma bobina de aro com um raio de cerca de 1/4 de onda.

Outra maneira de fortalecer o campo a uma distância de 1/4 de onda é usar um indutor muito pequeno, mas aumentar a corrente do indutor para um valor muito maior. Nesse caso, mesmo uma bobina muito pequena pode emitir muita radiação EM. Mas isso traz problemas práticos: bobinas pequenas são antenas ineficientes por causa do aquecimento do fio. Se a maior parte da potência do seu transmissor estiver destinada a criar imensas correntes e calor de antena, em vez de ondas EM emitidas, você irá esgotar suas baterias (ou obter grandes contas da empresa de eletricidade). Se isso não importa no seu situação, então nenhuma torre de 1/4 de comprimento de onda é necessária. Uma antena de loop pequeno funcionará bem e pode ser muito menor que o diâmetro de 1/2 onda.

Quanto aos rádios AM portáteis e suas bobinas de antena relativamente pequenas, nesse caso, usamos um pouco mais de "mágica" para aumentar a corrente da bobina. Se um indutor é empregado como parte de um ressonador LC paralelo, sempre que é acionado com um pequeno sinal, a corrente no loop LC ressonante cresce para um valor muito alto. Ele absorve as ondas EM recebidas e a corrente da bobina aumenta progressivamente. Seu crescimento é limitado apenas pela resistência do fio e, se a resistência for baixa o suficiente, será limitada apenas por perdas na emissão EM. Uma bobina de resistência zero, em ressonância, pode aumentar seus campos circundantes até que a força do campo a uma distância de 1/4 de onda do indutor seja tão grande quanto a força do campo das ondas EM recebidas. Sob essas condições, a pequena bobina se comporta "eletricamente grande" comportando-se como um absorvedor EM com diâmetro de cerca de 1/2 onda. (Observe que na extremidade inferior da banda AM a 550KHz, um diâmetro de meia onda é de cerca de 900 pés!)

Diferentemente de outros receptores, nos rádios portáteis de banda AM existem dois capacitores de sintonia separados: um para o oscilador local que faz parte do sistema de receptor superhet e outro conectado em paralelo à bobina da antena com núcleo de ferrite. Observe que a ressonância LC é necessária apenas quando a antena em loop é muito menor que o comprimento de onda de 1/4 de raio. As antenas de loop "eletricamente grandes" convencionais não precisam desse capacitor; eles já são do tamanho adequado para o comprimento de onda operacional e um capacitor de sintonia adicional tornaria as coisas piores.

Aqui está outra opinião sobre toda a questão.

Um transformador não é um par de antenas de loop!

Por exemplo, considere um transformador de núcleo de ar com uma polegada de largura, funcionando a 60Hz. À medida que afastamos a bobina secundária do primário, a conexão indutiva entre eles cai rapidamente para zero. Isso acontece porque o padrão de campo ao redor da bobina primária é idêntico ao de um ímã dipolo ... e a intensidade do fluxo dos dipolos cai como 1 / r ^ 3. Aumente a distância primário-secundário em 1000x e o fluxo na bobina secundária é um bilhão de vezes mais fraco.

OK, agora aumente a frequência do inversor, mas use um gerador de sinal de corrente constante para manter a corrente da bobina primária a mesma de antes. No começo, nada de estranho vai acontecer. Seu transformador funciona da mesma maneira em uma ampla faixa de frequências. Mas a uma frequência extremamente alta, surgem novos efeitos repentinamente estranhos. A bobina primária, um indutor puro, de repente parece desenvolver um resistor interno, e a energia começa a ser perdida. No entanto, a bobina não está esquentando! A energia está escapando de alguma forma. E de repente o valor do fluxo recebido pela bobina secundária começa a aumentar. Suas duas bobinas não são mais um transformador. Eles se tornaram um par de antenas de rádio: antenas de loop. Você até descobrirá que capacitores distantes (pares de eletrodos separados) começaram a selecionar o campo da bobina principal. A força do padrão de campo não diminui mais como 1 / r ^ 3; ao contrário, é mais como uma fonte de luz e cai com a distância como 1 / r ^ 2. Em que frequência tudo isso ocorreu? Acho! :)

PS

Vejo que o Dr. Belcher, do MIT, portou esses mpegs originais no Youtube. Aqui estão três visualizações de uma antena de rádio básica:

• Próximo: indutor simples, o campo se expande e se contrai
• Médio: indutor radiante, o campo descasca e voa para longe
• Distante: as ondas EM fluem para fora de uma antena

E aqui está o que acontece quando, de repente, separamos uma bola com miolo carregado positivamente de uma bola negativa.

Ao criar um indutor tradicional, você está tentando minimizar a indutância de vazamento . Ao fazer isso, você tenta obter o máximo do campo magnético para cortar as voltas de fio próximas. Um indutor toroidal é particularmente bom em manter seu campo para si mesmo.

A parte "vazamento" é aquela que irradia para o espaço, sem ser capturada pela bobina. Isso é considerado como "perda", no que diz respeito à bobina. Quando você faz uma antena, está tentando maximizar esse vazamento, porque deseja que ela irradie no espaço.

Você provavelmente está se perguntando sobre a condição que usamos na EMF chamada Reciprocidade .

A maioria das antenas, como uma das mais simples e úteis, é o dipolo elétrico . Como o sistema é linear e invariante no tempo, é possível mostrar com muita matemática que receber com uma antena é o mesmo que transmitir. Isso é usado, pois foi necessário analisar algumas antenas, porque resolver as equações de radiação com a fonte da antena e medir o campo no espaço livre é muito mais fácil do que tentar o oposto.

Acima, observei a condição de linearidade, as antenas que usam um núcleo magnético geralmente podem ter um comportamento não linear, o que geralmente não é um problema, desde que você permaneça em uma faixa aceitável de intensidade de campo, mas também significa que medir a radiação do antena geralmente não se correlaciona com a força de recepção. Uma melhoria na rede de sintonia é uma melhoria que você provavelmente verá nos dois casos, mas confiar em um campo medido para um campo transmitido para o seu cabo não é muito fácil de corresponder ao caminho oposto.

Como é o campo que realmente deixa uma antena? Vou usar novamente um dos mais simples, o dipolo elétrico.

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

Então, quando você tem uma onda no espaço livre, ela se propaga sem limites. Quando você tem uma onda em um cabo, ele normalmente fica preso entre os condutores. O cabo coaxial é um exemplo de guia de onda no modo TEM limitado . Uma tarefa das antenas é combinar e acoplar a onda no guia de ondas à impedância do espaço livre e ajudá-lo a irradiar. Quando você olha para um dipolo elétrico, pode ver que a onda está acoplada a essa estrutura, que se acopla suavemente ao espaço à medida que os fios se separam. Essa é, no mínimo, uma maneira de pensar sobre isso.

Também fiz questão de dizer dipolo elétrico enquanto falo e mostro exemplos. Uma coisa interessante a se pensar é como uma antena de loop funciona. Um dipolo magnético terá o mesmo padrão de campo que o dipolo elétrico que você viu, mas alternando as linhas do campo elétrico com o magnético e vice-versa. A questão é que o campo magnético curvado não terá um loop tão grande quanto um meio dipolo elétrico, e chegar a esse ponto é bastante difícil.

Observe que em um indutor puro de indutância L henries, a impedância Z = 2 pi FL j é puramente complexa e, a partir da lei de Ohms generalizada V / I = Z, então a corrente e a tensão estarão 90 graus fora de fase e não haverá transferência de energia Vai acontecer.

Dito isto, as bobinas do mundo real não são indutores puros, mas também possuem capacitância e, portanto, podem até ser auto-ressonantes em alguma frequência.

Nas frequências HF, o manual do ARRL observa que aproximadamente 0,5 comprimento de onda de fio enrolado em um suporte de fibra de vidro, com um "chapéu de capacitância" ou carga de fio na parte superior, cria uma antena de comprometimento utilizável para situações em que um dipolo de meio comprimento de onda ou um quarto de onda vertical é muito grande .

Eu construí uma antena desse tipo para 3,8 Mhz, consistindo em cerca de 40 m de fio espaçados a cerca de 1,5 cm por turno, espaçados com palitos de dente colados em orifícios perfurados em um poste de ~ 4 cm de diâmetro com cerca de 5-6 m de comprimento. O chapéu de capacitância tinha 4 fios grossos (~ gauge 8) no topo, com aproximadamente 2m de comprimento. A sintonia final foi feita com um analisador de antena e uma dúzia de voltas adicionais de fio enroladas firmemente na parte inferior para obter um cruzamento de X = 0. R geralmente não é de 50 ohms, portanto, é necessário um sintonizador de antena. Essa configuração foi útil para fazer contatos nos EUA do leste e central e do leste dos EUA para a Europa com apenas 100 Watts SSB. Geralmente as outras estações tinham antena superior ... mas ainda assim era utilizável.

Como é uma energia irradiando?

Isto é para transmissão de antenas. A saída AM fica assim (em azul):

Melhore a sintonia da sua antena, mais a energia transmitida.

Melhore a sintonia da sua antena, menos energia refletida.

Melhore a sintonia da sua antena, melhore o seu SWR.

Mais energia transmitida no ar, mais energia recebida em um circuito sintonizado!

Edit: Conforme solicitado nos comentários.

O que faz uma boa antena ser boa?

O comprimento da antena corresponde ao comprimento de onda do sinal que você está tentando receber ou transmitir. A linha de alimentação também deve ser correspondida para que os sinais não sejam refletidos e quase 100% da potência do sinal passe em qualquer direção (tx ou rx) e haja baixa perda.

Você ficará encantado em saber que mesmo a impedância do ponto de alimentação de uma antena dipolo ideal de meia onda é na verdade parcialmente indutiva .