[Antena harus memiliki] arus yang mengalir sepanjang panjangnya, sehingga medan yang dihasilkan memancarkan energi itu ke ruang angkasa. (Menerima antena hanyalah proses ini secara terbalik).
[Ini] menjelaskan mengapa Anda tidak bisa hanya menempelkan sirkuit tangki kecil di papan dan mengharapkannya memancarkan secara efisien.
( sumber )
Saya mengerti ini benar dari pengalaman, tetapi saya tidak mengerti mengapa. Saya kira dimensi antena mengubah bidang yang dihasilkannya entah bagaimana, tetapi bagaimana ini membuat energi memancarkan lebih efektif? Seperti apa energi yang terpancar?
Saya mengerti perlunya menyetel antena. Saya hanya ingin tahu bagaimana setelah kami mencari transfer daya maksimal ke antena, kami mendapatkan lebih banyak energi untuk pergi ke antena penerima.
Jawaban:
Memang itu bisa menjadi antena yang sangat bagus. Tidak terlihat lagi dari radio transistor dan penerima gelombang AM. Dalam barang-barang konsumen yang ada di mana-mana, antena terdiri dari sepotong ferit yang sangat rendah dengan izin yang sangat tinggi. Ini dibungkus banyak ampli * lilitan kawat tembaga yang sangat halus. Permitivitas tinggi memberikan antena area penampang yang efektif - karena izin - (Jika saya ingat dengan benar) sekitar satu mil persegi atau lebih, sehingga membawa ukuran listrik antena ke dimensi panjang gelombang yang diterimanya.
Pada tekukan teknis, Anda dapat mempertimbangkan bahwa antena berinteraksi dengan bagian medan magnet dari vektor Poynting yang terpancar.
sumber
Kekuatan medan pada jarak dari induktor sangat penting. Jika induktor terlindung dengan baik, dengan bidang nol di ruang di dekatnya, maka itu tidak akan bertindak seperti antena. Jelas sekali.
Jadi, bagaimana kita bisa memaksimalkan bidang induktor yang jauh dan membuat antena radio yang bagus? Yah, pertama-tama kita harus bertanya-tanya tentang jarak yang terlibat. Lapangan harus kuat pada jarak tertentu dari induktor? Jawabannya: 1/4 panjang gelombang. Ini adalah nilai yang agak 'ajaib' yang jatuh dari fisika gelombang EM bepergian yang berinteraksi dengan benda-benda konduktif. Jika bidang pada panjang gelombang 1/4 dari induktor tidak signifikan, maka induktor sedang terlindung secara elektromagnetik untuk frekuensi itu. Tetapi jika medan signifikan pada jarak itu, maka induktor dapat berfungsi sebagai antena.
Animasi YT: bidang yang mengelilingi antena
Mengapa 1/4-panjang gelombang? Di atas adalah animasi MPG dari kursus E&M intro di MIT. Periksa animasi dengan cermat. AC diterapkan pada koil kecil di tengah, dan gumpalan bidang-bidang lingkaran tertutup terbang sebagai gelombang EM. Tetapi sangat dekat dengan lokasi koil, pola bidang tidak terbang ke luar. Alih-alih hanya berkembang dan runtuh. Dekat dengan antena koil kami, bidangnya menyerupai elektromagnet sederhana. Ini mengembang lebih besar dengan meningkatnya arus kumparan, dan runtuh ke dalamketika arus berkurang. Tetapi pada jarak yang sangat jauh dari koil, polanya bertindak sangat berbeda, dan itu hanya bergerak keluar terus menerus. Di mana perilaku lapangan membuat perubahan? Pada jarak panjang gelombang 0,25. Pada jarak 1/4-gelombang, garis-garis medan "membungkuk" ke dalam bentuk jam pasir sesaat, kemudian mereka terlepas dan terbang ke luar sebagai lingkaran yang tertutup.
Volume ruang dalam jarak 1/4-gelombang koil disebut Wilayah Nearfield, dan menunjukkan pola bidang ekspansi / kontrak dari induktor sederhana. Pada jarak yang lebih jauh, di Wilayah Farfield, medan berperilaku hanya sebagai radiasi EM yang bepergian.
Lebih banyak animasi MIT melihat terutama yang terakhir
Cara paling sederhana untuk menjamin bahwa medan kuat pada jarak 1/4 panjang gelombang adalah dengan membangun induktor yang bertindak seperti dipole electromagnet. Tapi buatlah sebuah elektromagnet di mana kutub magnetnya kira-kira setengah panjang gelombang terpisah. Beli sendiri batang ferit yang panjangnya 1/2-gelombang, kemudian gunakan batang itu sebagai inti induktor Anda. Bahkan lebih sederhana: hanya memutar induktor Anda sebagai koil-hoop dengan radius sekitar 1/4-gelombang.
Cara lain untuk membuat medan kuat pada jarak 1/4-gelombang adalah dengan menggunakan induktor yang sangat kecil, tetapi mendongkrak arus induktor ke nilai yang jauh lebih tinggi. Dalam hal ini, bahkan kumparan yang sangat kecil dapat memancarkan banyak radiasi EM. Tapi ini membawa masalah praktis: gulungan kecil adalah antena yang tidak efisien karena pemanasan kawat. Jika sebagian besar daya pemancar Anda digunakan untuk menciptakan arus dan antena yang sangat besar, daripada memancarkan gelombang EM, Anda akan kehabisan baterai (atau mendapatkan tagihan besar dari perusahaan listrik.) Jika ini tidak masalah di Anda situasi, maka tidak ada menara 1/4-panjang gelombang yang dibutuhkan. Antena loop kecil akan bekerja dengan baik, dan bisa jauh lebih kecil dari diameter 1/2-gelombang.
Adapun radio AM portabel dan kumparan antena yang relatif kecil, dalam hal ini kami menggunakan beberapa "sihir" untuk meningkatkan arus koil. Jika induktor digunakan sebagai bagian dari resonator LC paralel, maka setiap kali itu didorong dengan sinyal kecil, arus dalam loop LC beresonansi tumbuh ke nilai yang sangat tinggi. Ini menyerap gelombang EM yang masuk dan arus kumparan tumbuh semakin besar. Pertumbuhannya hanya dibatasi oleh resistansi kawat, dan jika resistansi cukup rendah, maka dibatasi oleh kerugian pada emisi EM. Sebuah koil resistan nol, pada resonansi, dapat menumbuhkan medan di sekitarnya sampai kekuatan medan pada jarak 1/4-gelombang dari induktor adalah sebesar kekuatan medan gelombang EM yang masuk. Dalam kondisi ini, kumparan kecil berperilaku "elektrik besar," berperilaku seperti penyerap EM dengan diameter sekitar 1/2-gelombang. (Perhatikan bahwa pada ujung bawah pita AM pada 550KHz, diameter setengah gelombang adalah sekitar 900 kaki!)
Tidak seperti penerima lainnya, di radio portabel AM-band ada dua kapasitor tala yang terpisah: satu untuk osilator lokal yang merupakan bagian dari sistem penerima superhet, dan yang lain yang terhubung secara paralel dengan koil antena inti-ferit. Perhatikan bahwa resonansi LC hanya diperlukan ketika antena loop jauh lebih kecil dari radius 1/4-panjang gelombang. Antena loop "elektrik besar" konvensional tidak memerlukan kapasitor ini; mereka sudah ukuran yang tepat untuk panjang gelombang operasi mereka, dan kapasitor tala tambahan hanya akan membuat segalanya lebih buruk.
Inilah pandangan lain tentang keseluruhan masalah.
Sebuah transformator bukanlah sepasang antena loop!
Misalnya, ambil transformator inti udara selebar inci yang berjalan pada 60Hz. Ketika kita memindahkan kumparan sekunder jauh dari primer, koneksi induktif di antara mereka jatuh dengan cepat ke nol. Ini terjadi karena pola medan di sekitar kumparan primer identik dengan magnet dipol ... dan intensitas fluks dipol menurun sebagai 1 / r ^ 3. Tingkatkan jarak primer-sekunder sebesar 1000x, dan fluks pada kumparan sekunder satu miliar kali lebih lemah.
OK, sekarang tingkatkan frekuensi drive, tetapi gunakan generator sinyal arus konstan untuk menjaga arus koil primer sama seperti sebelumnya. Pada awalnya tidak ada yang aneh akan terjadi. Transformator Anda berfungsi sama pada rentang frekuensi yang luas. Tetapi pada frekuensi yang sangat tinggi, tiba-tiba muncul efek baru yang aneh. Koil utama, induktor murni, tiba-tiba tampaknya mengembangkan resistor internal, dan energi mulai hilang. Namun koil tidak memanas! Energi terlepas entah bagaimana. Dan tiba-tiba nilai fluks yang diterima oleh kumparan sekunder mulai meningkat. Kedua kumparan Anda bukan lagi sebuah transformator. Mereka telah menjadi sepasang antena radio: antena loop. Anda bahkan akan menemukan bahwa kapasitor jauh (pasangan elektroda terpisah,) kini telah mulai mengambil medan dari kumparan primer. Kekuatan pola bidang tidak lagi turun sebagai 1 / r ^ 3, melainkan lebih seperti sumber cahaya, dan jatuh dengan jarak sebagai 1 / r ^ 2. Berapa frekuensi semua ini terjadi? Kira! :)
PS
Saya melihat bahwa MIT dari Dr. Belcher telah mem-porting mpeg asli itu ke Youtube. Berikut ini tiga tampilan antena radio dasar:
Dan inilah yang terjadi ketika kami tiba-tiba memisahkan bola empulur bermuatan positif dari yang negatif.
sumber
Ketika Anda membuat induktor tradisional, Anda mencoba untuk meminimalkan induktansi kebocoran . Dengan melakukan itu, Anda mencoba mendapatkan sebanyak mungkin medan magnet untuk memotong lilitan kawat terdekat. Induktor toroidal sangat baik dalam menjaga bidangnya sendiri.
Bagian "kebocoran" adalah apa yang terpancar ke luar angkasa, tanpa ditangkap oleh koil. Ini dianggap sebagai "kerugian", sejauh menyangkut koil. Ketika Anda membuat antena, Anda mencoba memaksimalkan kebocoran ini, karena Anda ingin memancarkannya ke ruang angkasa.
sumber
Anda kemungkinan besar bertanya-tanya tentang kondisi yang kami gunakan di EMF Timbal Balik .
Kebanyakan antena, seperti salah satu yang paling sederhana dan bermanfaat, adalah Dipol Listrik . Karena sistem ini linear dan tidak berubah-ubah waktu, Anda dapat menunjukkan dengan banyak matematika bahwa menerima dengan antena sama dengan mentransmisikan. Ini digunakan, harus menganalisis beberapa antena, karena menyelesaikan persamaan untuk radiasi, dengan sumber antena, dan mengukur medan di ruang bebas jauh lebih mudah daripada mencoba sebaliknya.
Di atas saya mencatat kondisi untuk linearitas, antena yang menggunakan inti magnetik sering dapat memiliki perilaku non-linear, yang sering tidak menjadi masalah selama Anda tetap berada dalam rentang kekuatan medan yang dapat diterima, tetapi juga berarti bahwa mengukur radiasi dari Antena sering tidak berkorelasi dengan kekuatan penerimaan. Peningkatan dalam jaringan tuning adalah peningkatan yang mungkin akan Anda lihat dalam kedua kasus, tetapi mempercayai bidang yang diukur untuk bidang yang ditransmisikan ke kabel Anda sangat mudah tidak akan cocok dengan jalur yang berlawanan.
Bagaimana medan sebenarnya meninggalkan antena? Saya akan menggunakan salah satu yang paling sederhana lagi, dipol listrik.
Jadi, ketika Anda memiliki gelombang di ruang bebas, itu merambat tanpa batas. Ketika Anda memiliki gelombang di kabel, biasanya terikat di antara konduktor. Kabel Coax menjadi contoh pandu gelombang mode TEM yang dibatasi . Pekerjaan antena adalah untuk mencocokkan dan memasangkan gelombang dalam pandu gelombang dengan impedansi ruang bebas dan membantu memancarkannya. Saat Anda melihat dipol listrik, Anda dapat melihat bahwa gelombang berpasangan ke dalam struktur ini yang akan berpasangan dengan mulus ke ruang angkasa saat kabel-kabelnya terpisah. Setidaknya, itulah cara untuk memikirkannya.
Saya juga telah membuat titik mengatakan dipol listrik karena saya telah berbicara dan menunjukkan contoh. Suatu hal yang menarik untuk dipikirkan adalah bagaimana antena loop bekerja. Sebuah Dipole Magnetic akan memiliki pola medan sama dengan dipol listrik yang telah Anda lihat, tapi beralih garis-garis medan listrik dengan magnet dan sebaliknya. Masalahnya adalah bahwa medan magnet melengkung tidak akan ada loop yang hampir sama besar dengan setengah dipol listrik, dan sampai ke titik itu cukup sulit.
sumber
Perhatikan bahwa dalam induktor murni induktansi L henries, impedansi Z = 2 pi FL j adalah murni kompleks, dan dari hukum Ohm umum V / I = Z sehingga arus dan tegangan akan menjadi 90 derajat dari fase dan tidak ada transfer daya akan terjadi.
Yang mengatakan, kumparan dunia nyata bukan induktor murni tetapi juga memiliki kapasitansi dan dengan demikian bahkan bisa beresonansi sendiri pada beberapa frekuensi.
Pada frekuensi HF buku pegangan ARRL mencatat bahwa sekitar 0,5 panjang gelombang kawat yang dibungkus dengan dukungan fiberglass, dengan "topi kapasitansi" atau beban kawat di bagian atas menciptakan antena kompromi yang dapat digunakan untuk situasi di mana dipol setengah panjang gelombang atau seperempat panjang gelombang vertikal terlalu besar .
Saya telah membangun antena untuk 3,8 Mhz, yang terdiri dari sekitar 40m kawat dengan jarak sekitar ~ 1,5 cm per putaran dengan tusuk gigi yang direkatkan ke lubang yang dibor pada tiang berdiameter ~ 4cm sekitar 5-6m panjangnya. Topi kapasitansi adalah 4 kabel tebal (~ gauge 8) di bagian atas sekitar 2m panjang. Penyetelan akhir dilakukan dengan penganalisis antena dan selusin belitan kawat di bagian bawah untuk mencapai persilangan X = 0. R umumnya tidak 50 ohm sehingga tuner antena diperlukan. Pengaturan ini dapat digunakan untuk melakukan kontak di sekitar AS bagian timur dan tengah dan dari AS bagian timur hingga Eropa dengan SSB hanya 100 Watt. Secara umum stasiun lain memiliki antena superior ... tapi tetap saja ini bisa digunakan.
sumber
Ini untuk antena pemancar. Output AM terlihat seperti ini (berwarna biru):
Lebih baik penyetelan antena Anda, lebih banyak energi yang ditransmisikan.
Lebih baik penyetelan antena Anda, lebih sedikit energi pantulan.
Lebih baik penyetelan antena Anda, lebih baik SWR Anda.
Lebih banyak energi yang ditransmisikan ke udara, lebih banyak energi yang diterima ke sirkuit yang disetel!
Sunting: Seperti ditanyakan dalam komentar.
Panjang antena disesuaikan dengan panjang gelombang sinyal yang Anda coba terima atau kirim. Feedline juga harus dicocokkan sehingga sinyal tidak terpantul dan mendekati 100% daya sinyal melewati di kedua arah (tx atau rx) dan ada kehilangan yang rendah.
sumber
Anda akan senang mengetahui bahwa bahkan titik umpan impedansi antena dipol setengah gelombang yang ideal sebenarnya sebagian induktif .
sumber