Pourquoi un inducteur n'est-il pas une bonne antenne?

[Une antenne doit avoir] un courant circulant sur toute sa longueur, de sorte que les champs résultants rayonnent cette énergie dans l'espace. (Les antennes de réception ne sont que ce processus en sens inverse).

[Ceci] explique pourquoi vous ne pouvez pas simplement coller un petit circuit de réservoir sur une carte et vous attendre à ce qu'il rayonne efficacement.

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Je comprends que cela soit vrai d’expérience, mais je ne comprends pas pourquoi. Je suppose que la dimension de l'antenne modifie les champs qu'elle produit, mais comment cela permet-il à l'énergie de rayonner plus efficacement? À quoi ressemble une énergie rayonnante?

Je comprends la nécessité d’ ajuster l’antenne. Je me demande simplement comment, une fois que nous avons réglé le transfert d'énergie maximal vers l'antenne, nous obtenons plus de cette énergie destinée à l'antenne de réception.

En effet, cela peut être une très bonne antenne. Ne cherchez pas plus loin que les radios à transistors et les récepteurs de bande AM. Dans ces biens de consommation omniprésents, l’antenne était constituée d’une pièce de ferrite à très faible perte et de très haute permittivité. Celui-ci était enveloppé dans de nombreux ampères de très fins fils de cuivre. La haute permittivité confère aux antennes une section efficace - en raison de la permittivité - (si je me souviens bien) d'un kilomètre carré, ramenant ainsi la taille électrique de l'antenne aux dimensions de la longueur d'onde reçue.

Sur un plan technique, vous pouvez considérer que les antennes interagissent avec la partie champ magnétique du vecteur de Poynting rayonnant.

L'intensité du champ à une distance de l'inducteur est d'une importance cruciale. Si l'inducteur est bien blindé, avec un champ nul dans l'espace à proximité, il ne se comportera pas comme une antenne. Évidemment.

Alors, comment pouvons-nous maximiser le champ distant d'une inductance et créer une bonne antenne radio? Eh bien, nous devrions d’abord nous interroger sur la distance en cause. Le champ doit être fort à quelle distance de l'inducteur? La réponse: 1/4 de longueur d'onde. C'est une valeur quelque peu «magique» qui découle de la physique des ondes électromagnétiques en déplacement qui interagissent avec des objets conducteurs. Si le champ situé à 1/4 de la longueur d'onde à partir de l'inducteur est non significatif, l'inducteur est blindé de manière électromagnétique pour cette fréquence. Mais si le champ est significatif à cette distance, l'inducteur peut alors fonctionner comme une antenne.

Animation YT: champs entourant une antenne

Pourquoi 1/4 de longueur d'onde? Ci-dessus, une animation MPG du cours d'introduction E & M au MIT. Examinez attentivement l'animation. AC est appliqué à la petite bobine au centre et les taches de lignes de champ circulaires fermées s'envolent sous forme d'ondes EM. Mais très près de l'emplacement de la bobine, le modèle de champ ne vole pas vers l'extérieur. Au lieu de cela est simplement en expansion et en train de s’effondrer. Proche de notre antenne bobine, le champ ressemble à celui d’un simple électroaimant. Il se dilate plus grand lorsque le courant de la bobine augmente et s’effondre vers l’intérieurquand le courant diminue. Mais à très grande distance de la bobine, le motif agit de manière très différente et se déplace vers l'extérieur de manière continue. Où le comportement du champ fait-il son changement? À 0,25 longueur d'onde distance. À une distance de 1/4 de vague, les lignes de champ «se rétrécissent» en une forme momentanée de sablier, puis elles se détachent et volent vers l'extérieur sous forme de cercles fermés oblongs.

Le volume d'espace situé à l'intérieur de la distance d'un quart de la vague de la bobine s'appelle la région de champ proche et présente les schémas de champ en expansion / contraction d'un simple inducteur. Plus loin, dans la région de Farfield, les champs se comportent uniquement comme un rayonnement électromagnétique en déplacement.

Plus d'animations MIT, en particulier la dernière

Le moyen le plus simple de garantir la résistance du champ à une distance d'un quart de la longueur d'onde consiste à construire un inducteur qui agit comme un électroaimant dipolaire. Mais fabriquez un électroaimant dont les pôles magnétiques sont séparés d’une demi-longueur d’onde. Achetez-vous une tige de ferrite d'une demi-onde longue, puis utilisez-la comme noyau de votre inducteur. Encore plus simple: enroulez simplement votre inducteur comme un cerceau avec un rayon d'environ 1/4 onde.

Une autre façon de rendre le champ puissant à une distance de 1/4 d'onde consiste à utiliser un très petit inducteur, mais à augmenter le courant de l'inducteur à une valeur beaucoup plus élevée. Dans ce cas, même une très petite bobine pourrait émettre beaucoup de radiations EM. Mais cela pose des problèmes pratiques: les petites bobines sont des antennes inefficaces en raison du chauffage du fil. Si la plus grande partie de la puissance de votre émetteur est utilisée pour créer un immense courant et la chaleur de votre antenne, plutôt que des ondes électromagnétiques émises, vous allez épuiser vos batteries (ou recevoir de grosses factures de la part du fournisseur d’électricité). Dans ce cas, aucune tour de 1/4 de longueur d’onde n’est nécessaire. Une petite antenne cadre fonctionnera très bien et peut être beaucoup plus petite que le diamètre d’une demi-onde.

En ce qui concerne les radios AM portables et leurs bobines d’antenne relativement petites, nous utilisons alors plus de "magie" pour augmenter le courant de la bobine. Si une inductance est utilisée dans le cadre d'un résonateur LC parallèle, le courant dans la boucle LC résonante devient alors très élevé lorsqu'il est commandé avec un signal faible. Il absorbe les ondes électromagnétiques entrantes et le courant de la bobine augmente progressivement. Sa croissance est uniquement limitée par la résistance du fil. Si la résistance est suffisamment faible, elle ne peut être limitée que par les pertes d’émission EM. Une bobine de résistance zéro, à la résonance, peut développer ses champs environnants jusqu'à ce que l'intensité du champ à une distance de 1/4 de l'onde de l'inducteur soit égale à l'intensité du champ des ondes EM entrantes. Dans ces conditions, la petite bobine se comporte "électriquement grande" se comportant comme un absorbeur EM de diamètre environ 1/2 vague. (Remarquez qu'à l'extrémité inférieure de la bande AM à 550 KHz, le diamètre d'une demi-onde correspond à environ 900 pieds!)

Contrairement aux autres récepteurs, dans les radios portables en bande AM, il existe deux condensateurs d'accord distincts: un pour l'oscillateur local faisant partie du système de récepteur de superhet et un autre connecté en parallèle à la bobine d'antenne à noyau de ferrite. Notez que la résonance LC n'est nécessaire que lorsque l'antenne cadre a un rayon beaucoup plus petit que 1/4 de longueur d'onde. Les antennes cadre classiques "électriquement grandes" n'ont pas besoin de ce condensateur; ils ont déjà la taille appropriée pour leur longueur d'onde de fonctionnement, et un condensateur de réglage supplémentaire ne ferait qu'empirer les choses.

Voici une autre prise sur toute la question.

Un transformateur n'est pas une paire d'antennes cadre!

Par exemple, prenons un transformateur à noyau pneumatique d’un pouce de large fonctionnant à 60Hz. En éloignant la bobine secondaire du primaire, la connexion inductive entre eux tombe rapidement à zéro. Cela se produit car le motif de champ entourant la bobine primaire est identique à celui d'un aimant dipolaire ... et que l'intensité du flux des dipôles décroît à 1 / r ^ 3. Augmentez la distance primaire-secondaire de 1 000 fois et le flux au niveau de la bobine secondaire est un milliard de fois plus faible.

OK, augmentez maintenant la fréquence de commande, mais utilisez un générateur de signal à courant constant pour que le courant de la bobine principale reste le même qu'auparavant. Au début, rien d'étrange ne se passera. Votre transformateur fonctionne de la même manière sur une large plage de fréquences. Mais à une fréquence extrêmement élevée, de nouveaux effets soudainement étranges apparaissent. La bobine primaire, un pur inducteur, semble soudainement développer une résistance interne et de l'énergie commence à être perdue. Pourtant, la bobine ne chauffe pas! L'énergie s'échappe d'une manière ou d'une autre. Et soudain, la valeur du flux reçu par la bobine secondaire commence à augmenter. Vos deux bobines ne sont plus un transformateur. Ils sont devenus une paire d'antennes radio: des antennes à boucle. Vous découvrirez même que des condensateurs distants (paires d'électrodes séparées) ont maintenant commencé à capter le champ de la bobine primaire. La force du motif de champ ne diminue plus à 1 / r ^ 3, mais à une source lumineuse et diminue avec la distance à 1 / r ^ 2. A quelle fréquence tout cela s'est-il produit? Deviner! :)

PS

Je vois que le Dr Belcher du MIT a transféré ces MPEG originaux sur Youtube. Voici trois vues d'une antenne radio de base:

• Near: simple inducteur, le champ s'agrandit et se contracte
• Moyen: inducteur rayonnant, le champ se décolle et s'envole
• Loin: les ondes électromagnétiques s'écoulent d'une antenne

Et voici ce qui se passe lorsque nous séparons soudainement une boule de balle chargée positivement d'une boule négative.

Lorsque vous faites un inducteur traditionnel, vous essayez de minimiser l’ inductance de fuite . Ce faisant, vous essayez de faire en sorte que le champ magnétique soit le plus efficace possible pour couper à travers les spires voisines. Un inducteur toroïdal est particulièrement apte à garder son champ pour lui-même.

La partie "fuite" est celle qui irradie dans l’espace sans être capturée par la bobine. Ceci est considéré comme une "perte" en ce qui concerne la bobine. Lorsque vous fabriquez une antenne, vous essayez de maximiser cette fuite, car vous souhaitez qu'elle rayonne dans l'espace.

Vous vous posez très probablement des questions sur la condition que nous utilisons dans les CEM, appelée « réciprocité» .

La plupart des antennes, comme l’une des plus simples et des plus utiles, est le dipôle électrique . Comme le système est à la fois linéaire et invariant dans le temps, vous pouvez montrer, avec beaucoup de calculs, que recevoir avec une antenne revient à transmettre. Ceci est utilisé, après avoir analysé quelques antennes, car résoudre les équations de rayonnement avec la source d'antenne et mesurer le champ en espace libre est beaucoup plus facile que de tenter le contraire.

J'ai noté ci-dessus la condition de la linéarité, les antennes utilisant un noyau magnétique peuvent souvent avoir un comportement non linéaire, ce qui n'est souvent pas un problème tant que vous restez dans une plage acceptable d'intensité de champ, mais cela signifie également que la mesure du rayonnement à partir du L’antenne n’est souvent pas corrélée à la force de réception. Une amélioration du réseau de réglage est une amélioration que vous constaterez probablement dans les deux cas, mais il est très difficile de faire confiance à un champ mesuré pour un champ transmis dans votre câble.

À quoi ressemble réellement le champ qui sort d’une antenne? Je vais utiliser à nouveau l'un des plus simples, le dipôle électrique.

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

Ainsi, quand vous avez une vague dans l'espace libre, elle se propage sans limites. Lorsque vous avez une onde dans un câble, il est normalement lié entre les conducteurs. Le câble coaxial est un exemple de guide d'onde en mode TEM borné . Un travail d'antenne consiste à associer et coupler l'onde dans le guide d'ondes à l'impédance de l'espace libre et à l'aider à rayonner. En regardant un dipôle électrique, vous pouvez voir que la vague est couplée à cette structure qui se couplera sans heurt dans l’espace lorsque les fils se séparent. C’est au moins une façon de penser.

J'ai également pris soin de dire dipôle électrique comme j'ai parlé et montré des exemples. Il est intéressant de penser au fonctionnement d’une antenne cadre. Un dipôle magnétique aura le même motif de champ que le dipôle électrique que vous avez vu, mais en commutant les lignes de champ électrique avec le magnétique et inversement. Le problème est que le champ magnétique courbe n’aura pas une boucle aussi grande que celle d’un demi-dipôle électrique, et il est très difficile d’atteindre ce point.

Notez que dans une inductance pure d'inductance L henries, l'impédance Z = 2 pi FL j est purement complexe, et d'après la loi d'Ohms généralisée V / I = Z, le courant et la tension seront déphasés de 90 degrés et aucun transfert de puissance arrivera.

Cela dit, les bobines du monde réel ne sont pas des inductances pures, elles ont aussi une capacité et pourraient donc même être auto-résonantes à une certaine fréquence.

Aux fréquences HF, le manuel ARRL indique qu’environ 0,5 longueur de fil enroulé sur un support en fibre de verre, avec un "chapeau de capacité" ou une charge de fil au sommet, crée une antenne de compromis utilisable dans les situations où un dipôle ou un quart de longueur d'onde vertical est trop grand .

J'ai construit une telle antenne pour 3,8 MHz, constituée d'environ 40 m de fil espacé d'environ 1,5 cm par tour et espacée de cure-dents collés dans des trous percés sur un poteau d'environ 4 cm de diamètre et d'une longueur de 5 à 6 m environ. La capacité était constituée de 4 fils épais (environ 8 jauges) au sommet, sur une longueur d'environ 2 m. L’accord final a été effectué avec un analyseur d’antenne et une douzaine de spires supplémentaires enroulées dans le bas pour obtenir un croisement de X = 0. R n’est généralement pas 50 ohms, un syntoniseur d’antenne est donc nécessaire. Cette configuration était utilisable pour établir des contacts autour de l’est et du centre des États-Unis et de l’est des États-Unis vers l’Europe avec seulement 100 watts SSB. En général, les autres stations avaient une antenne supérieure ... mais c'était utilisable.

À quoi ressemble une énergie rayonnante?

C'est pour les antennes d'émission. La sortie AM ressemble à ceci (en bleu):

Mieux syntoniser votre antenne, plus l’énergie transmise.

Mieux syntoniser votre antenne, moins d’énergie réfléchie.

Améliorez le réglage de votre antenne, améliorez votre TOS.

Plus d'énergie transmise dans l'air, plus d'énergie reçue dans un circuit réglé!

Edit: Comme demandé dans les commentaires.

Qu'est-ce qui fait une bonne antenne?

La longueur de l'antenne correspond à la longueur d'onde du signal que vous essayez de recevoir ou de transmettre. La ligne d'alimentation doit également être adaptée de sorte que les signaux ne soient pas réfléchis et que près de 100% de la puissance du signal passe dans un sens ou l'autre (tx ou rx) et que les pertes soient faibles.

Vous serez ravi de savoir que même l’impédance du point d’alimentation d’une antenne dipôle demi-onde idéale est en réalité partiellement inductive .