Verursachen Leiter im reaktiven Nahfeld einer Antenne Verluste?

Ich habe hier über das reaktive Nahfeld einer Antenne gelesen, von dem ein Teil des relevanten Teils unten zitiert ist:

„Aufgrund dieses Energiespeicher- und -rückgabeeffekts geht diese Energie an die Primärantenne verloren, wenn einer der induktiven oder elektrostatischen Effekte im reaktiven Nahfeld Feldenergie auf Elektronen in einem anderen (nahegelegenen) Leiter überträgt. Wenn dies geschieht , ist eine zusätzliche Belastung des Senders zu sehen, die sich aus der reaktiven Nahfeldenergie ergibt, die nicht zurückgesendet wird. Dieser Effekt zeigt sich als eine andere Impedanz in der Antenne, als vom Sender gesehen."

Ich bin mir nicht sicher, ob ich das richtig verstehe oder zumindest seine Auswirkungen auf die reale Welt. Bedeutet dies, dass das Platzieren von Metall in der Nähe einer Sende- oder Empfangsantenne einen zusätzlichen Verlust in Form von induktiver und elektrostatischer Kopplung verursacht? Würden diese Verluste vom Faraday-Effekt herrühren und im Wesentlichen Energie aus dem elektrischen Feld verwenden, um ein nahe gelegenes Metall wie das Laden eines Kondensators aufzuladen? Bedeutet dies, dass Antennen- und HF-Designer in der realen Welt sicherstellen müssen, dass sich keine Metalle oder andere Leiter im reaktiven Nahfeld ihrer Antennen befinden? Verstehe ich das falsch oder ist der Effekt vielleicht einfach zu gering, um praktisch von Bedeutung zu sein?

Ist Ihnen klar, dass Metall im Fernfeld keinen Verlust oder zusätzliche Belastung der Sendeantenne darstellt?
Mein Verständnis war, dass jedes Metall außerhalb des reaktiven Nahfelds, also alles im strahlenden Nahfeld oder Fernfeld, keine zusätzliche Last darstellen und Verluste verursachen würde. Ich denke, das liegt daran, dass in diesen Entfernungen keine reaktive Energierückgabe / -speicherung mehr stattfindet? Ich denke, der Verlust wäre nur auf die Faraday- / elektrostatischen Effekte sehr nahe (reaktives Nahfeld) an der Antenne zurückzuführen, mit denen Sie sich in fast jedem Schaltungsdesign befassen würden, nicht nur bei HF oder Antennen. Wenn dies nicht korrekt ist, lassen Sie es mich bitte wissen!

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Verursachen Leiter im reaktiven Nahfeld einer Antenne Verluste?

Nicht unbedingt. Betrachten Sie eine gut gestaltete Dipolantenne; Sie können eine Reihe von "anderen Elementen" darum platzieren und den Dipol in eine Yagi-Uda-Antenne verwandeln: -

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Die Yagi-Uda-Antenne verwendet konstruktiv "andere Elemente", um eine EM-Emission zu erzeugen, die in eine bestimmte Richtung gerichtet ist. Diese zusätzlichen Elemente befinden sich im Nahfeld des Dipolabschnitts der Antenne. Die EM-Strahlung wird wie folgt fokussiert: -

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Namensnennung: Von Chetvorno – Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54323935

Wenn die Platzierung dieser Elemente nicht genau kontrolliert wird, treten Änderungen der elektrischen Impedanz an den Anschlüssen der Antenne auf. Tatsächlich nutzen einige Yagi-Uda-Designs dies und wandeln die natürlichen 73 Ohm des Dipols (des angetriebenen Teils der Antenne) in etwas radikal anderes um.

Die Folge davon ist, dass die Ad-hoc-Platzierung von perfekt leitendem Material um eine Dipolantenne herum die elektrische Impedanz erheblich ändert. Grundsätzlich wird die Antenne von ihrer optimalen Frequenz verstimmt; Das Vorhandensein von leitendem Material senkt die elektrische Impedanz und der Dipol wird zu dem, was als "kurz" bekannt ist. Betrachten Sie den Dipol und was passiert, wenn Sie ihn nicht am perfekten Resonanzpunkt betreiben: -

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Wenn die Länge der Antenne einer halben Wellenlänge entspricht (Nennarbeitspunkt eines Dipols), beträgt die Wirkimpedanz 73 Ohm und die Blindimpedanz null. Wenn die Antenne durch das Vorhandensein von leitenden Elementen "verkürzt" wird, fällt der "reale" Teil der Impedanz schnell auf null Ohm und der reaktive Teil wird kapazitiv, wobei die Impedanz mit abnehmender Länge schnell ansteigt.

Da das Stromversorgungssystem für eine Antenne auf Impedanzanpassung beruht, können Sie sehen, dass eine Erhöhung des Leistungsverlusts unvermeidlich ist. Es ist nicht unvereinbar; Sie könnten einen Transformator und eine Induktivität an den Dipolanschlüssen platzieren, um Impedanzen umzuwandeln und die gleiche Leistungsabgabe aufrechtzuerhalten, aber zusätzliche Verluste sind unvermeidlich. Der größte davon ist der Leitungsverlust der Antenne selbst. Sobald die Leitungsverluste der Antenne zu einem erheblichen Prozentsatz des elektrischen Strahlungswiderstands werden, befinden Sie sich auf dem Abwärtstrend.

Denken Sie auch an die Platzierung eines wirklich großen Leiters in der Nähe eines Dipols. Nennen wir diesen wirklich großen Dirigenten "Erde". Das folgende Diagramm zeigt, wie sich die ohmsche Impedanz ändert, wenn der Dipol in einem bestimmten Abstand über dem Boden angehoben wird: -

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Wenn Sie den Dipol nur in geringem Abstand über dem Boden (0,2 Wellenlängen oder weniger) platziert haben, können Sie sehen, dass die Impedanz erheblich reduziert wird und kleiner wird, wenn sich der Boden nähert.

Das Fazit dessen, was ich zu sagen versuche, ist, dass der Wiki-Artikel korrekt ist , aber er ist zweitrangig gegenüber dem Gesamtbild, das ich oben zu skizzieren versucht habe. Verluste aufgrund von Impedanzfehlanpassungen (verursacht durch lokalisierte Leiter/Materialien) sind viel bedeutender als die tatsächlichen dielektrischen oder Leitungsverluste in diesen Materialien.

Vielen Dank, ich verstehe jetzt sicherlich, wie wichtig die Impedanzfehlanpassung in Bezug auf Verluste ist. Ich denke, Sie haben das gut quantifiziert! Obwohl es intuitiv sinnvoll ist, dass Leitungs- / dielektrische Verluste im Vergleich zu Impedanzfehlanpassungsverlusten nicht signifikant sind, kann ich nicht sagen, dass ich verstehe, warum dies quantitativ ist. Kennen Sie eine Ressource, die diese Verluste quantifiziert, damit ich mit Mathematik / Zahlen sehen kann, wie unbedeutend sie im Vergleich zum Effekt der Impedanzfehlanpassung sind? Ich frage mich, wie viel Prozent des Gesamtverlusts in einer typischen Antennenanwendung auf diese Effekte zurückzuführen sein könnten.
Ich kenne keine anderen Ressourcen als tief und schmutzig auf Google zu graben. Ein anderer Ansatz wäre, die Antenne als EM-Strahler zu vergessen und sich nur auf die Nahfeldphänomene gekoppelter Spulen gemäß Nahfeld-Tags zu konzentrieren, die nur die magnetische Strahlungsenergie verwenden. Es läuft darauf hinaus, dass der Schurkenleiter eine kurzgeschlossene Windung mit Widerstandsverlusten ist. Sie können die Antenne als abgestimmte Parallelschaltung und den Schurken als einzelne Windung mit genügend Widerstand modellieren, um die Resonanzfrequenz nicht zu bestimmen, aber niedrig genug, um eine erhebliche Leistung aufzunehmen
Natürlich erzeugt dieses Modell keine Fernfeld-EM-Leistung, aber vor allem verschwendet es Leistung im Rogue Metal. Dies kann ein produktiverer Weg sein, um auf die Idee zu kommen. Es ist nie einfach, wenn es um Antennen geht; Eine einfache Gleichung kann sich in ein praktisch unlösbares Dreifachintegral verwandeln, und Sie haben vielleicht bemerkt, dass es keine guten Visualisierungen dafür gibt, wie unterschiedliche e- und h-Felder (im Nahfeld) sich im Fernfeld auf magische Weise ausrichten. Vergessen Sie also eine Antenne, die 73 Ohm in 377 Ohm im freien Raum umwandelt, und konzentrieren Sie sich auf die Wirbelstrominduktion des Magnetfelds, jedoch nicht auf Kosten der Verstimmung.
Sobald eine signifikante Verstimmung auftritt, ändern Sie die Antennenimpedanz auf komplexe Weise, und hier fällt die Analogie des abgestimmten Schaltkreises hin.

Jedes Metall in der Nähe der Antenne saugt Energie aus dem HF-Feld und induziert Wirbelströme im Metall.

Es ist nicht wie das Aufladen eines Kondensators. Das würde bedeuten, dass sich die elektrische Energie gerade woanders hin bewegt hat, aber immer noch da ist. Stattdessen wandeln die Wirbelströme die Energie in Wärme um.

Der Sender „sieht“ diesen Energieverlust. Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, dass die Impedanz der Antenne und des Anpassungsnetzwerks niedriger wird.

ZB wird der Sender eine größere Last sehen.

Als HF-Designer versuchen Sie normalerweise, Metalle in der Nähe des HF-Felds zu minimieren, aber das ist nicht immer möglich. Eine Möglichkeit, damit umzugehen, besteht darin, das Feld durch die Verwendung von Ferritmaterial vom Metall wegzuleiten.

Außerdem ist es die Aufgabe der HF-Designer sicherzustellen, dass - egal wie viel Metall Sie in die Nähe der Antenne bringen - die Impedanz niemals so niedrig wird, dass der Sender überhitzt (denken Sie daran, dass die Impedanz niedrig wird, je mehr Metall Sie in die Nähe der Antenne bringen, desto eher sieht die Antenne wie ein Kurzschluss aus).

Sie können dies tun, indem Sie die Tatsache nutzen, dass Metall in der Nähe der Antenne einen verstimmenden Effekt hat und das Antennensystem schnell für die Ziel-HF-Frequenz verstimmt wird. Dadurch wird die vom Sender zur Antenne übertragene Energiemenge bereits etwas begrenzt.

Ich verstehe den Wirbelstromteil des "Saugens von Energie aus dem HF-Feld". Das ist so ziemlich das Faradaysche Gesetz und wird durch das Magnetfeld verursacht und ist nichts anderes als das Laden eines Kondensators, wie Sie sagten. Aber gibt es neben dieser ersten Wirkung des Magnetfeldes nicht noch eine zweite Wirkung des elektrischen Feldes? Der elektrische Feldanteil der EM-Welle im Nahfeld induziert keine Spannung oder Ladung auf dem Metall in der Nähe der Antenne?
"Jedes Metall in der Nähe der Antenne saugt Energie aus dem HF-Feld und induziert Wirbelströme im Metall." Während das technisch natürlich für jedes echte verlustbehaftete Metall gilt, ist es hier praktisch ein wichtiger Faktor? Oft können wir Antennen mit einer perfekt elektrisch leitenden (PEC) Annäherung an das tatsächlich verwendete Metall entwerfen. PECs sind verlustfrei. Wenn diese Annäherung innerhalb einer Antenne gültig ist , warum sollte sie dann im Nahfeld außerhalb der Antenne nicht gültig sein? Ich denke, das meiste, was Sie sagen, bezieht sich wirklich auf das Verstimmen einer Antenne, nicht auf Energieverlust.

Metallteile in der Nähe der Antenne können Strom induziert haben oder nicht, müssen aber keinen Signalverlust verursachen. Sie können genauso gut eine Strahllenkung verursachen oder (wenn das Metall beispielsweise eine Schüssel ist) einen erheblichen Antennengewinn verursachen (kein Leistungsgewinn, "Antennengewinn" bedeutet Fokussierung oder Richtungsbegrenzung, um einen Strahl zu bilden).

Eine gut abgestimmte Antenne könnte jedoch aufgrund einer Änderung der getriebenen Impedanz weniger effektiv werden. Die Antenne hat typischerweise ein Abstimmnetzwerk, das für die Sendereffizienz eingestellt ist, und diese Einstellung bestimmt Übertragungsverluste. Das Hinzufügen oder Entfernen eines Metallobjekts würde ebenso wahrscheinlich zu Verlusten aufgrund schlechter Abstimmung führen.

Was wäre für den ersten Teil Ihrer Antwort eine Situation, in der sie keinen Strom induziert hätten? Schreibt das Faradaysche Gesetz nicht vor, dass ein gewisser Strom aus dem sich ändernden Magnetfeld normal zur Leiteroberfläche induziert werden muss, es sei denn, Sie gehen davon aus, dass die Antenne stark gerichtet ist und dort, wo sich die Metallstücke befinden, einfach keine Strahlung vorhanden ist? Wollen Sie sagen, dass in einer Schüsselantenne die Schüssel keinen Strom nach dem Faradayschen Gesetz induzierte? Und implizieren Sie auch, dass selbst bei induziertem Strom möglicherweise kein Signalverlust auftritt? Wie konnte das sein?
Eine Dipolantenne erzeugt ein vertikales E-Feld; In einem dünnen horizontalen Stück Metall werden also keine Ströme induziert: Die Richtung ist falsch. Es ist normal, dass Antennen sowohl angesteuerte als auch nicht verbundene (oder geerdete) passive Elemente haben, dh „in der Nähe befindliche Metallteile“. Das Magnetfeld erzeugt KREISFÖRMIGE Ströme, aber ein langes, dünnes Element ... vervollständigt einen solchen Stromkreis nicht. Der „Signalverlust“ hängt von der Richtung ab: Es ist Ihnen egal, ob das Signal schließlich nicht in den Boden eindringt. Verlust passiert trotzdem.
Danke, ich habe das Gefühl, dass ich die Antworten auf alle meine Fragen außer der letzten verstehe, und das liegt daran, dass ich sie nicht richtig gestellt habe. Ich wollte nicht "Signalverlust" sagen, sondern "Antennenverlust", da induzierte Ströme (vorausgesetzt, die Metallgeometrie unterstützt Kreisströme, was, wie Sie gezeigt haben, möglicherweise nicht der Fall sind) in Metallen im reaktiven Nahfeld speichern würden / Energie (reaktiv) an die Antenne zurückgeben, anstatt sie in das Fernfeld abstrahlen zu lassen, würde diese Energie "verloren" gehen. Das würde passieren, oder?
Energieverlust, dh Widerstandserwärmung, kann sicherlich auftreten (aber versuchen Sie, ein paar Drahtstücke auf einen Pappteller in einen Mikrowellenherd zu legen: nur die Resonanzlängen hinterlassen Brandflecken). Die Streuung von Energie in unnütze Richtungen ist wahrscheinlicher.
Verursachen Leiter im reaktiven Nahfeld einer Antenne Verluste?
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