Эффективный прием сигналов электрически малыми антеннами
Вступление (не от автора статьи)…
Однажды увидел в продаже очередной номер журнала Chip News на обложке которого анонсировалась статься «Эффективный прием малыми антеннами». Будучи любителем гражданской Си-Би радиосвязи, приобрел данный номер исключительно из-за данной сатьи. Статья, конечно же оказалась не на тему Си-Би связи, но прочитав её я задумался над некоторыми явлениями, которые в ней описывались… И вот до сих пор, меня не покидает надежда, воплоить некоторые из них в жизнь…
Поэтому если вам интересно узнать о передачи энергии без проводов немного больше чем вы знаете сейчас, настоятельно рекомендую прочесть данную статью. До конца. Я надеюсь, что во время прочтения она не покажется вам такой длинной…
Приятного чтения…
•ELC•
ЭФФЕКТИВНЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛЫМИ АНТЕННАМИ
Обычно считается, что в мобильных радиоустройствах эффективно работающая антенна должна иметь размер в половину длины волны используемого диапазона частот. В дециметровом и метровом диапазонах выступающая наружу антенна доставляет много неудобств пользователям и является проблемой для дизайнеров: нужно упрятать антенну в маленький корпус так, чтобы аппарат смотрелся красиво. Однако указанная точка зрения на оптимальный размер антенны не является единственно правильной. При определённых условиях антенны сколь угодно малых по сравнению с длиной волны размеров могут быть столь же эффективны, как и полуволновые. Эти условия были известны ещё во времена Никола Тесла в начале 20-го века, но оказались забытыми в период бурного развития мобильных устройств в конце этого века [1].
АТОМ КАК ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА
Как известно, длина волны света составляет 5000-6000 ангстрем, в то время, как размеры атома порядка 1 ангстрема. Казалось бы, такая миниатюрная антенна, в 5000 раз меньше длины волны, не может сколь-нибудь эффективно рассеивать, поглощать или излучать видимый свет. Однако опыт говорит обратное — атомы эффективно рассеивают свет, что видно невооружённым глазом, и это взаимодействие со светом действительно очень сильное. Очень странно, но в учебниках физики этот факт никак не объясняется. Даже у великого Фейнмана ничего нет. Про квантово механическое явление возбуждения атомов фотонами говорится много, а вот про возможность классического рассеяния отдельным атомом почти ничего. На первый взгляд, такое рассеяние просто невозможно, атом пренебрежимо мал по сравнению с длиной волны, свет его просто не заметит. Использование квантовой механики вряд ли может помочь: квантовая механика действует в области порядка размера атома или меньше, а на расстояниях на 4 порядка больших все квантовые явления пренебрежимо малы. Поэтому здравый смысл подсказывает, что явление взаимодействия атома со световой волной вряд ли требует квантового подхода, и это действительно так — никакого специфически квантового механизма взаимодействия атомов с фотонами не существует (во всяком случае, физикам оно неизвестно). Вместе с тем, в классической электродинамике считается, что только при размерах антенны, сравнимых с длиной волны, возможно эффективное излучение и приём. Казалось бы, противоречие налицо. Но, оказывается, что объяснение явления взаимодействия атома со светом на языке классической физики существует, оно столь же неожиданно, сколь и мало известно [2,3]
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛЫЕ АНТЕННЫ
Антенна считается электрически малой, если её размер намного меньше длины волны принимаемого ЭМ-излучения. Такие антенны бывают либо дипольного типа, который является по-существу конденсатором и управляется напряжением, либо петлевого типа, который является катушкой и управляется током. Электрически малые антенны известны давно и довольно широко распространены в качестве излучателей. Каждый опытный радиоинженер знает, что излучаемая такой антенной мощность не зависит от размеров антенны, а определяется только мощностью согласованного генератора. Большие размеры антенны обнаруживаются только по диаграмме излучения и только тогда, когда размеры приближаются к длине волны. Когда размеры антенны уменьшаются, её импеданс излучения растёт для диполя или падает для петли, поэтому возникают некоторые проблемы в согласовании с выходным сопротивлением передатчика для того, чтобы эффективно передавать мощность от генератора к антенне. Чем меньше размер диполя (петли), тем более высокое напряжение (ток) надо подавать, чтобы излучать ту же мощность. Если генератор согласован с антенной, то основная его мощность всегда переходит излучение. Согласование импедансов не всегда бывает простой задачей, но, как правило, это решаемая техническая задача. Итак, с помощью малой антенны можно эффективно излучить заданную мощность в пространство, и эффективность этого процесса никак не зависит от размеров излучающей антенны, по крайней мере, в теоретическом плане. Это экспериментальный факт, и он хорошо известен практикам.
На языке ЭМ-полей это довольно очевидный факт. Эффективное излучение ЭМ-поля начинается за пределами ближней зоны, размеры которой порядка длины волны. Две антенны будут излучать одинаково, если на границе ближней зоны имеют одинаковую напряжённость полей. Напряжённость поля диполя пропорциональна произведению заряда на размер диполя, поэтому, чтобы создать одинаковую напряжённость дипольными излучателями разных размеров, надо устанавливать напряжение или ток обратно пропорционально размерам излучателя. Вот и вся физика.
Итак, становится понятно, почему атом может эффективно излучать: орбитальное движение электрона создаёт очень сильный петлевой ток, и переменное магнитное поле становится таким же, как у полуволнового диполя на расстоянии длины волны. Благодаря сильному току атом как бы формирует виртуальную большую (полуволновую) антенну, которая и осуществляет эффективное излучение энергии. Теперь перейдём к приёму. В соответствии с принципом взаимности, в пассивной ЭМ-системе поля не должны измениться при изменении знака времени, т.е. при замене излучения приёмом. Поэтому малая антенна должна быть так же эффективна на приём, как и на излучение. Однако из практики каждый знает, что если просто так уменьшить приёмную антенну, принимаемый сигнал пропорционально уменьшится. Рассмотрим, что же надо сделать, чтобы этого не случилось.
На языке ЭМ-полей поглощение падающей волны означает, что её поле вблизи антенны сильно искажается, т.е. исчезает, по крайней мере, в некоторой части пространства. ЭМ-поля не взаимодействуют друг с другом, и мы не можем одно поле захватить другим. Но зато для полей существует явление интерференции. Если мы сформируем другое поле той же напряжённости, но с противоположной фазой, то суммарное поле станет равным нулю. Эффект такой же, как если бы падающее поле поглотилось. Нужное антиполе может создать дополнительный ток антенны. Если на пути волны встречается большая антенна в виде полуволнового диполя, то волна наводит в нём достаточно большой ток, который создаёт собственное поле почти такой же напряжённости, как и в падающей волне, и в результате сильно искажает падающую волну. Если же диполь очень маленький, то наводимый в нём ток тоже будет маленьким И создаваемое ИМ поле очень слабо исказит падающую волну, т.е. эффективного поглощения энергии не произойдёт. Теперь ясно, что надо каким-то образом увеличить ток в маленьком диполе. При излучении Мы делаем это с помощью генератора, а как увеличить ток при приёме?
ИЗЛУЧИТЬ ДЛЯ ТОГО, ЧТОБЫ ПРИНЯТЬ
Поскольку ясно, что сама антенна не может генерировать нужные токи И напряжения в антенном проводе, мы могли бы использовать внешний источник. Для примера возьмём петлевую антенну. Если вы хотите, чтобы ваша Маленькая петлевая антенна принимала намного больше энергии, чем могла бы в обычном состоянии, пропустите большой переменный ток через антенну так, чтобы частота была одинакова с падающей волной И отставала бы по фазе на 90 градусов. Напряжение на зажимах антенны остаётся примерно таким же, как и в антенне без внешнего тока при приёме той же волны. Однако, поскольку ток стал гораздо больше, принимаемая мощность возрастёт, поскольку мощность равна произведению тока на напряжение.
На первый взгляд, это какой-то абсурд — использовать излучение для улучшения приёма электрически малой антенны. Тонкость заключается в том, что в непосредственной окрестности проводника электрические и магнитные поля ведут себя независимо, в отличие от полей волны. В ближнем поле возможно изменение магнитной компоненты без Изменения электрической, т.е. изменения тока без изменения напряжения и наоборот. Принцип суперпозиции падающих волн не вполне применим вблизи проводящей поверхности, поскольку уравнения распространения энергии в этой области зависят от V2 или I2 раздельно. Более того, V практически не зависит от I в ближней зоне. Если очень маленькая петлевая антенна (катушка) должна принимать очень слабый радиосигнал, мы можем увеличить принимаемую «энергию» искусственным увеличением тока. Или, если мы используем очень маленький диполь (конденсатор), мы можем увеличить сигнал путём подачи высокого напряжения на зажимы диполя.
Никаких нарушений законов физики при этом не происходит. Мы добавляем сильные поля и заставляем исказиться падающее поле. Это означает, что мы увеличили эффективный размер (апертуру) маленькой антенны [3] (рис. 1). На низких частотах апертура может возрастать до фантастических размеров. Например, на частоте 10 кГц виртуальная апертура 30-сантиметровой петли станет равной 10 км! И вся энергия волны из этого объёма радиусом 10 км может быть поглощена (более точно — половина энергии). Ясно, что использовать такой приём можно только в электрически малой антенне. Большая антенна сама по себе сильно искажает падающую волну и поэтому дополнительное поле ничего не даст.
Если для петли мы можем использовать генератор, то в атоме такого генератора нет. И здесь на помощь приходит резонанс. Если в антенне присутствует резонатор, настроенный на частоту падающего излучения, то он может накапливать энергию из падающего поля. Накопление энергии в резонаторе приводит к росту тока или напряжения в диполе, и мы получаем тот самый внешний генератор для создания сильного дополнительного поля, которое через некоторое время подавит поле падающей волны. Таким путём энергия внешнего поля перейдёт в энергию резонатора. Точно так же работает крошечный атом: создавая за счёт резонанса антиполе, он в итоге поглощает энергию падающей световой волны огромного размера.
Этот механизм резонансного поглощения был экспериментально исследован в работе [3], в которой анализировалось поведение малых металлических и диэлектрических частиц при облучении длинноволновым ЭМ-излучением. Было строго показано, что наличие резонанса может вынудить мелкие частицы действовать как крупные. Итак, и атом и маленький диполь ведут себя одинаково: рассеивают излучение, поглощая падающее и создавая собственное. В случае атома доли поглощённого и излученного потоков в точности равны, если атом не изменяет своего энергетического состояния. Во всех случаях виртуальные размеры рассеивателя возрастают до размеров ближней зоны излучений (примерно 1/3 длины волны). Удивительно, но применительно к атому этот механизм был осознан только в 80 годах 20-го века. Остаётся загадкой, почему детали классического явления рассеяния света атомом так долго оставались вне поля зрения физиков и до сих пор не вошли в учебники.
БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
По-видимому, первым, кто попытался использовать на практике эффект резонансного поглощения в малых антеннах, был Никола Тесла. Он попытался использовать этот эффект не просто для передачи сигналов, но и для передачи практически значительной энергии без помощи проводов. Суть его подхода состояла в следующем.
Рассмотрим гипотетический передатчик ОНЧ (очень низкой частоты) 1 кГц большой Мощности. Пусть он формирует поле с напряжённостью на уровне естественного электрического поля Земли, которое составляет примерно 100 В/м Поле с напряжённостью 100 В/м является слабым, это наш естественный фон, поэтому такое поле в обычных условиях человек не ощущает, оно безвредно и его можно регистрировать только с помощью приборов. Длина волны излучения 1 кГц составляет 300 км, что превышает высоту 100 км, на которой начинается Ионосфера. Такое длинноволновое излучение полностью отражается и ионосферой И поверхностью Земли И будет заключено, следовательно, в слое атмосферы высотой 100 км. Для создания такого поля нужно подключить генератор напряжения на 10 MB к изолированной металлической башне. Генератор напряжения 10 MB не является каким-то экзотическим устройством, это может быть просто тщательно сделанная катушка Тесла. В итоге мы получим передатчик, который заполнит всю атмосферу Излучением на частоте 1 кГц.
АНТЕННА В ВИДЕ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА
Попробуем получить из этого поля энергию. Возьмём антенну в виде небольшой металлической пластины, размещённой на высоте 1 м над поверхностью Земли. С пластины мы можем снять напряжение 100 В на частоте 1 кГц, Это не так просто, поскольку это напряжение снимается с емкостного источника с очень высоким импедансом. Пусть ёмкость пластина-земля составляет 10 пФ, тогда реактивное сопротивление такого конденсатора на частоте 1 кГц составит 1/(2•Pi•f•C) = 16 МОм. Если подключить активную нагрузку 16 МОм, то напряжение не ней будет в корень из 2 раз меньше и составит 70 В, что соответствует принимаемой мощности 300 мкВт и току 4 мкА в нагрузке. По-существу, это просто сигнал, энергии которого недостаточно даже для зажигания светодиода.
Эквивалентная схема рассмотренной системы показана на рис. 2. Свободное пространство вокруг металлической пластины можно рассматривать как конденсатор крайне малой ёмкости, И в результате образуется ёмкостной делитель напряжения с коэффициентом деления 1:100000. Можно повысить напряжение, увеличив размер пластины и подняв её на большую высоту, но тогда это будет слишком громоздкое устройство.
РЕЗОНАНСНАЯ АНТЕННА
Теперь добавим катушку индуктивности в предыдущую схему и настроим полученный контур в резонанс на частоту 1 кГц (рис 3).
При резонансе реактивное сопротивление цепи антенны станет бесконечным, И коэффициент деления схемы приблизится к 1. В результате всё напряжение генератора окажется приложенным к пластине и напряжение на ней достигнет 1 0 MB. Это напряжение появится, естественно, не мгновенно, а в течение некоторого времени, по мере накопления энергии резонансным контуром, И это время может быть весьма значительным. Для использования мощности подключим параллельно контуру активное сопротивление. Его величина должна быть равной реактивному сопротивлению ёмкости окружающего пространства, которую мы оценили величиной 10-16 фарады, что составляет 1600 ГОм. При такой нагрузке напряжение на контуре уменьшится до уровня 0,7 от напряжения на ненагружен ном контуре. В результате мощность в нагрузке составит примерно 30 Вт. Это в сто тысяч раз больше, чем мощность от простой нерезонансной антенной пластины. Маленькая пластина существенно выросла и установила прямой контакт с удалённым передатчиком. Изменив свой импеданс, она превратила небесный конденсатор в эффективное устройствo связи. Физически энергия появилась в результате того, что антенна излучила антиполе и засосала энергию из огромного объёма окружающих полей. Если мы увеличим размеры приёмной пластины или повысим её высоту, пропорционально возрастёт и принимаемая мощность. Правда, нам ещё потребуется преобразовать сверхвысокое напряжение 7000000 В в нормальное 220 В.
Отметим, что приведённые расчёты относятся к идеальному контуру с бесконечной добротностью. В принципе, его можно реализовать, если сделать катушку сверхпроводящей. В реальных условиях рост напряжения будет не таким высоким, но, тем не менее, мы получим многие ватты, а не микроватты. Инженеры с форума SCI.ELECTRONICS.DESIGN указали, что предел напряжения 10 MB для вышеуказанного резонатора является ошибочным. В действительности это напряжение может расти много выше напряжения передатчика. В системе с последовательным резонансом выходное напряжение ограничено только добротностью системы (сопротивлением проводов катушки) и не ограничено управляющим напряжением 10 MB.
В этом примере ток в цепи антенны не изменился, поскольку он определяется «небесным» конденсатором, но благодаря резонансу астрономически возросло напряжение, в итоге появилась реальная мощность. Устройство приобрело способность выкачивать энергию из огромного объёма. Для получения того же результата с обычной полуволновой антенной потребовался бы провод длиной 1 50 км!
Если бы мы использовали антенну в виде металлического витка вместо емкостной пластины, тогда ток в петле должен выполнять ту же роль, что и напряжение в антенне с пластиной: переменный ток должен расти до огромных значений и производить сильное магнитное поле в большом объёме. При правильной фазе это поле должно засасывать энергию передатчика (или приходящей ЭМ-волны). И при этом антенна остаётся маленькой. Если же взять частоту 150 МГц и антенну длиной 1 м, тогда эффект засасывания энергии не приведёт к улучшению приёма. Идея работает только в длинноволновом диапазоне.
В своё время Тесла построил установку по рассмотренной схеме, и у него работало беспроводное освещение на расстоянии 20 км от передатчика. Виртуальная энергетическая всасывающая воронка реально работала!
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ АНТЕНН
Напрашивается применение резонансного поглощения в мобильных устройствах. Здесь следует учесть, что добротность антенного резонатора не может быть слишком высокой, поскольку с ростом добротности уменьшается ширина полосы пропускания антенны. В мобильных телефонах 900-МГц диапазона относительная ширина спектра не превышает 5%, поэтому добротность не может быть выше 20. Но уже в этом случае размеры антенны можно уменьшить в 20 раз. Антенна размером менее 1 см может работать так же эффективно, как полуволновой диполь длиной 15 см. Мобильный телефон с эквивалентом 15-см антенны должен обладать повышенной чувствительностью и может потреблять от аккумулятора значительно меньше, чем такой же аппарат с укороченной дизайнерами антенной. Очевидно, разместить 1-см антенну можно в самом маленьком аппарате. Может быть, кто-то из производителей мобильных устройств уже так делает?
ДОМ БЕЗ СЕТЕВОЙ ПРОВОДКИ
Резонансное поглощение можно использовать для создания беспроводной системы питания в доме. Если по периметру дома расположить виток и запитать его током с частотой порядка 10 кГц, то внутри дома все устройства можно будет питать из «воздуха». Для этого каждое устройство, требующее электроэнергии, надо снабдить маленькой резонансной антенной с высокой добротностью. Не надо никаких розеток и кабелей. На нерезонансные устройства и на человека поле не будет оказывать заметного влияния, а резонансные поглотители будут получать достаточную энергию.
АКУСТИЧЕСКАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА
Электромагнитные поля не являются исключительной сферой приложения рассмотренной идеи. В акустике тоже существуют антенны и точно так же можно реализовать резонансное поглощение в маленьких акустических приёмниках. Возможно, что наши уши уже используют данный принцип. Существует точка зрения, что чувствительность уха человека на частотах ниже 1 кГц превышает теоретически возможный уровень, определяемый квантово механическими пределами, и пока нет удовлетворительного объяснения этого феномена. Почему бы не предположить, что ухо также способно генерировать звуковое поле в противофазе с принимаемой волной и тем самым резко увеличивать свою эффективную апертуру [6]? Пока никто не проводил опытов, подтверждающих это предположение. Известно, что внутреннее ухо является сильно нелинейной системой взаимодействующих резонаторов. Вполне возможно, что усиление колебаний на желаемых частотах происходит за счёт использования энергии других частот. Что-то типа приёмника с питанием от радиоэфира, когда усилитель питается от более мощного сигнала другой частоты или типа колокольчика, генерирующего звук высокой частоты, когда его встряхивают значительно более медленными колебаниями. В принципе, о генерации звука ухом можно узнать, если измерить звуковой спектр вблизи уха при облучении его шумовым звуком с равномерной плотностью. Если ухо использует нелинейное преобразование для повышения чувствительности к отдельным частотам, то спектр шума вблизи уха и вдали от него должен быть различным.
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ
Ещё одним претендентом на использование резонансного поглощения является шаровая молния. Как известно, до сегодняшнего дня нет удовлетворительного объяснения этого феномена. По одной из теорий, шаровая молния питается СВЧ-энергией. Были даже поставлены успешные лабораторные опыты по формированию плазменных шаров в сильном СВЧ-поле. Однако нет никаких подтверждений того, что во время грозы образуется мощное СВЧ-излучение достаточной продолжительности. Зато известно, что во время грозы атмосфера насыщена переменными низкочастотными электромагнитными полями. Если предположить, что в плазменном шаре появляются условия для резонансного поглощения мощных полей относительно низкой частоты как в передатчике Тесла, то становится объяснимым механизм появления большой энергии у шаровой молнии — ведь при резонансе в низкочастотном диапазоне энергия аккумулируется из огромного объёма пространства [7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной публикации предпринята попытка обратить внимание разработчиков на некоторые электротехнические идеи, найденные много лет назад, но неиспользуемые в настоящее время. Б своё время эти идеи не получили должного развития в силу технологических или экономических причин. Но развитие всегда идёт по спирали, и идеи, нереализуемые на одном витке технологического уровня, вполне могут быть востребованы на новом витке. Как показано в статье, старая идея позволила физикам найти неожиданное решение задачи рассеяния света атомом. Почему бы и радиоинженерам не попробовать поискать новые применения резонансных антенн? Данная статья не претендует на авторство основных рассмотренных идей и полностью переадресует все претензии подобного рода к оригинальной статье [1], воодушевившей своей оригинальностью автора данной публикации на творческий перевод и собственную интерпретацию некоторых положений оригинала.
Литература
1. «Energy-sucking» Radio Antennas, N. Tesla’s Power Receiver. http://amasci.com/tesla/dnn#dnn.
2. Bohren C.F. How can a particle absorb more than the light incident on it? Am J Phys, 51 #4. Apr. 1983. p. 323.
3. Paul H. and Fischer R. Light Absorption by a dipole. SOV.PHYS.USP 26(10). Oct. 1983. P. 923-926.
4. Sutton J.F. and Spaniol C.C. The Black Hole Antenna. PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL TESLA SYMPOSIUM, 1992. International Tesla Society.
5. Sutton J.F. and Spaniol C.C. An Active Antenna for ELF Magnetic Fields. PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL TESLA SYMPOSIUM, 1990. International Tesla Society, 1990.
6. Beaty W. Acoustic Black Hole, phenomenon. http://www.amasci.com/freenrg/audhole.html.
7. Corum K. and Corum J. Fire Balls, Fractals, and Colorado Springs: A Rediscovery of Tesla’s RF Techniques. PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL TESLA SYMPOSIUM, 1990.
Автор статьи: А. Еркин — журнал «CHIP NEWS» #7, 2004г