论文03号：矿石机环形天线研究

龙虾

标题：矿石机环形天线研究

作者：何颖楷（网名：龙虾）
2009年12月9日首发于矿石收音机论坛

摘要：
.电场强度大时适宜用直天线，电场旋度大时适宜用环形天线；
.依附建筑物金属的环形天线，高度应该比宽度大一些，并且前端平直；
.加大匝间距可以提高接收功率；
.电感对电流接收不利；
.谐振线圈可增强周围电场信号强度；
.接收与电感是两种不同的需求；
.不一定需要满足Q值的电感量。

一、开阔地上的环形天线

在空旷地竖放一根导体，电波电场加在上面，它会产生一个电压。

离电台一近一远竖两根高度同为H的导体，相距W，它们就会感应电压U1和U2，在电场强度E下，电压大小同为EH。



因为与电台的距离不同，所以有相位差。如果它们相隔W=1米，波长λ=360米，相位差是1度角。

把它们上下相连，成为一个方环，宽度W。因为有相位差，下方中间断口上就能得到一个电压U。

以EH半径画一个圆，借助矢量图可以算出电压U。矢量U = 矢量U1 - 矢量U2。



U的大小是弦长，在W远小于波长λ时，约等于U1、U2所夹的弧长。弧长与相位差成正比：

弧长 / 圆周长 = 距离W / 波长λ

所以：
电压U ≈ 弧长 = 圆周长 * 距离W / 波长λ = 2πE*H*W /λ

所得电压与环高H成正比，与环宽W成正比。即：所得电压与环的面积成正比。

这个式子是笔者自己推导出来的，不一定正确。但它说明一样：环形天线每匝所得的电压与环面积成正比。

传说中接收力与面积成正比。这个接收力不是电流也不是功率，正是电压。

式子变换又得：
U : EH = 2πW : λ

因为宽度W比λ波长小得多，U比EH小得多。就是说，即使电场很强，也只能得到它的很小一部分。前端导体所得的电压，基本上都被后端抵消了！

幸好我们可以一匝一匝重复地绕，每匝都可以得到同样的电压，最后还是可以有得可观的电压。

非矩形的环可以视为很多细小方环合成，结果同样是所得电压与面积成正比。


二、建筑物傍的环形天线

建筑物的金属管、钢筋等从楼顶连通到地。它们相当于一条条高高的天线，会有相当大的电流。

中波的电场是垂直的，上下交替变化的。当电场向下时，迫使正电荷从上往下流，使上方带负电。当电场向上时，又迫使正电荷从下往上流，使上方带正电。于是钢筋等就会有电流。

交变电流的周围产生变化的磁场，所以环形天线可以在这里感应出信号。为了评估强度，笔者在这里改用电场作分析。

导体电流增加时，会在周围形成一个反向电场。电场影响导体自身，产生对抗电流变化的电压，电感就是这样形成的。无论导体是直是曲，都会产生反向电场对抗电流的变化。

因为钢筋等是柱状的，所以电场向四周进行柱状辐射，强度与距离成反比。

如果离钢筋柱中心距离1单位处电场强度为E，那么2单位处就是E/2，3单位处就是E/3……，如此类推。



我们在1单位、3单位处各竖两条高度为H的导体，连成环，下方开口，这样就可以得到电压：

U = H * （ E - E/3 ） = 2/3 * EH

我们发现一匝所得电压，已经相当于前端获得电压的2/3，吸收率相当高！

在钢筋等傍边，电场并不强，直天线很难接收，但极容易被环形天线吸收！虽然一匝所得电压并不比直天线多，但环形可以多匝，而且有回路容易形成电流。

一个单位一个单位地远离柱状辐射中心，每匝所得电压依次为：
H * （ E/2 - E/4 ）
H * （ E/3 - E/5 ）
H * （ E/4 - E/6 ）
……
随着距离增大，所得电压越来越小。所得电压与环面积并没有必然关系。后端往后扩张虽然可继续加强，但很有限。

从这方面看，环加高一倍好过加宽一倍。同时考虑导线的利用率，应该适当做成长形，前端平直以便靠近辐射源。

在室内可以做固定的特大天线环，但要了解信号区分布情况，以免前端、后端分别落入不同信号区产生抵消的情况。

我们看一下涡旋场。水流不一定要倒着流形成旋涡才算有旋转性。靠岸的水流得慢，离岸的水流得快，这就足以让漂浮物旋转。河中心的水流得最快，但如果不是河道转弯它就不旋转。

可见，流得快和转得快是两回事。在电场中，有一个强度指标，有一个旋度指标。平行电场一边强一边弱，就是旋转性的一种表现：电荷从这边上去，从那边下来，就可获得能量。

开阔地，电场强度大，旋度不大，有利于直天线。在靠近建筑物钢筋、金属管处，电场强度不大，旋度大，有利于环形天线。

如果金属管进入房间打一个转再往下走，那就有倒着流的电场旋涡了，更容易吸收了。环形天线可以从中得到前后端相加（而不是相减）的电压。

没有现成这样的金属管，我们可以造。我们可以把天线引到需要的地方，打几个转，然后引下去。这就是天线回路线圈了！用线圈极容易吸收它的能量。

有人说是因为室内磁场好，所以环形天线有利。这样说也对。只是磁场不好定量计算，不容易反映与开阔地的区别。

天线回路线圈产生的也是变化磁场，也是涡旋电场，根本上是同一样东西！

到底是磁场的力还是电场的力？开始时人们是认为是磁场的力，后来人们又说磁场产生了电场然后电场产生力。不管你怎么算，算一次好了，不要两样加起来，它们是同一样东西！

你可能弄不明白一个力怎么会变成又磁又电的两个力。时下学说为了避开这个尖锐的问题，经常只关心实际的得到的“电动势”，反正就是有一个电压产生，按公式算就是。

笔者坚决认为世界上没有磁场这种“东西”，磁场只是电流旋转矢量，是一个数学指标，所有磁场现象都是电流现象。电子束的偏转是因为偏转线圈的电流，同向电流吸引，反向电流排斥。

时人爱说“电磁波”、“电动生磁，磁动生电”。而笔者认为空间有阻止电流变化的本性，电场“变化的变化”生成反向的电场，仅凭此一条，电波就能传播出去，中间并没有生成什么磁场。

理论上说无线电波包含有电场能和磁场能。电场能量可以由电荷在交变电场中振动获得。磁场能其实是涡旋电场能，电荷沿着电场旋涡走一圈获得。


三、接收功率

既然面积与电压成正比，那么功率在哪里？功率不可能在没有厚度的平面里。功率在空间里，功率与体积成正比。

这个体积，不是大环面积乘以厚度，应该是导线流经的周围空间。导线从它周围空间中获得能量。所以环形天线匝与匝要分开散开，才能在更大空间里吸取更多的能量。

那些可以生电的“磁动”是怎样被环形天线吸收的？为了不被左手右手定则搞晕了头，这里还是用涡旋电场来分析吧。“磁动”和涡旋电场其实是同一样东西。

我们先看变压器。初级环流正向加速，会在周围空间产生负向的涡旋电场。负向涡旋电场遇到次级线圈，就会产生负向电流。负向电流的形成过程是电流的负向加速。次级电流负向加速又产生正向涡旋电场。这样次级电流形成了，两者产生的涡旋电场抵消了，电流就从初级感应到次级。

过程是这样：初级电流加速—→反向涡旋电场—→次级反向电流加速—→涡旋电场抵消

由此可见，涡旋电场是会被吸收的，形成一定电流之后就被吸收完了。次级可以增加匝数来增加电压，但最后得到的安匝数是有限的，吸完就没有了。

接收天线与发射天线之间也有点象变压器，电台发射天线是初级，接收天线是次级。在一份空间里，形成电流之后，涡旋电场就会被抵消，能量被吸去。

如果每匝线都绕在同一位置，那它们只能分享同一片空间的能量。匝与匝之间互感，每匝产生的反向电场不但制约着自己的电流变化，还制约着周围匝的电流变化。每匝合力形成的电场最多就是抵消那片空间的外来涡旋电场，抵消完了也就吸收完了。

线匝分散开，可以提高接收、发射天线之间的“互感率”。分散线匝，能接收更大的电流，能非常有效地提高接收功率。

当然，在同一地方增加匝数也可以一定程度上提高接收功率，因为较多的匝数事实上会占领更多的空间，也可以提高吸收率。



四、伪解决方案

这是一款让人欣喜若狂的设计。前端散开有较强的接收力，后端聚拢削弱接收力，这样前后相减，每匝就能得到大得多的电压，将是一个非常强大的室外环形天线。



不过试验并没有带来惊喜。无论前端还是后端，总还是散开得到较大功率。原因在哪里呢？

原来，感生电场总是对抗电流改变，但并不总是对抗外来电场。外电场做正功时它对抗外来电场，外电场做负功时它帮助外来电场，总之就是“不干好事”。

接收强一点信号为何就这么难？这是上帝的意思。如果电波太容易被吸收，它就传不得那么远。



五、外来电压与振荡电压

本文开始部分说的接收所得电压是一个开路电压。如果形成电流，外电场会被抵消，实际得到电压会变小。下面把实际得到电压称为外来电压。

外来电压和振荡电压是两回事。谐振时，外来电压相当于直接加在纯电阻上，所以与电流同相位的。

整个回路有相等的电流。电感上有一个电感电压，比电流超前90度。电容上有一个电容电压，比电流滞后90度。外来电压与电流同相位。



因为外来电压相当于加在电阻上，所以谐振时A、B之间的振荡电压大小是外来电压的大约Q倍（Q是LC回路的Q值）。

谐振时在导线内部，电感电压会被电容电压完全抵消。电感电压由自身形成的涡旋电场（即变化的磁场）产生。电容电压由电荷积累产生。

因为振荡电压比外来电压高得多，所以会在周围形成强得多的电场。大环周围的电场又有很强的涡旋性，容易被线圈吸收。把收音机靠近，磁棒线圈与环匝平行，就能收到强得多的信号。

再看环形天线的输出。谐振时，A、B两点之间就能输出一个电压，它是外来电压的大约Q倍。

在环的导线内部看，电荷只会感到外来电压。电感电压被电容电压抵消了，A、B之间只有外来电压，这是从环线圈内部看。

但从电路外面看，A、B之间的电压却大了约Q倍。这是一个很有意思的现象。电感产生的涡旋电场好象只在电感内部产生电压，并不对负载电路产生电压。这是怎么一回事？电场不是规定了A、B两点之间的电压吗？

原来，在涡旋电场中，两点之间的电压是不确定的，走不同的路径，电荷就会得到不同的能量，两点之间表现出不同的电压。电荷从P点出发绕一个圈又回到原来的P点，它就能得到能量，能量用环路积分∮算符来计算。这样，前P与后P虽然是同一个点，但之间就有一个电压。

总之涡旋电场里，两点之间的电压还要由路径决定。电荷在电感中一圈一圈地绕才得到电感电压。负载电路走别的简单路径，不会由该电场中得到多少电压，所以负载电路得到大得多的另一个电压。



六、矿石机大环的两种功能

矿石机大环天线有两种功能：一是接收，二是电感。它满足矿石机两方面的需要。

这两者很容易混为一谈。如果只需要电感的，那么加大匝间距是不合理的，甚至加大直径也是不合理的。

加大匝间距和加大直径完全是接收上的需要。接收功能并不需要电感。但电感必然存在，有电感才有能量守恒，它体现了发射——接收时的作用力和反作用力。环形天线既然以∮的方式获得能量，就更不可避免地带有更多的电感。

电感的用处就是选择性，Q值。理论上有载Q值是空载Q值一半就最好了。如果有过高的空载Q值，可以主动降低电感，把匝间距拉大，这样对有载Q值更有利，因为可以提高电流输出能力，降低输出阻抗。

输出阻抗大好还是小好？这要看电压不变还是电流不变。如果是电压不变，当然是减小输出阻抗有益。拉开匝间距不会影响接收电压，却可以提高接收电流。拉开后电感变小了，还可以再墙加匝数获得更高电压。

匝间距太大，电感会太小，Q值就要降。要视乎Q值的设计要求。你可以用其它方法增加电感。你也可以对大环Q值无所要求，用其它方法解决选择性问题，例如增加一个回路。

矿石机的环形天线，除了把它看作电感，还要把它看作天线。并行的天线需要大间距，这是理所当然的。

[ 本帖最后由 龙虾 于 2009-12-9 13:28 编辑 ]

轻风

大间距 大尺寸 大表面积~~

翌阳

环型天线是磁场天线，要从磁场的角度考虑。

60年代的爱好者

拜读了.

蒙古乐忽门

理论分析透彻,条理清晰,首先值得学习,我等需进一步研究实验!!!!

1971sam

很有启发，好！！！

龙虾

写分析文章最大得益的是自己。我前后用了三天的时间写它。写之前还没有什么系性。里面有的内容是以前没想过的，没想通的。

电脑真好，可以把内容搬来搬去。某些内容一旦并列，就很能发现问题。例如间距和直径问题的并列，发现原来大线圈是两种功能满足两种需要。

弄清楚一些问题，以后判断事情就快得多，三天时间到时候会省回来的。

龙虾

正因为用磁理论已经想不出更透彻的东西，所以改用涡旋电场来分析，它更直观直接。

原始理论认为磁动可以产生电流。

电磁场理论进了一步，认为磁动先产生涡旋电场，然后由涡旋电场产生电流。磁是不产生力的！

所以，线圈周围存在着涡旋电场，这涡旋电场产生电压电流。

电磁场理论已经初步否定了磁产生力。但力才是让我们感知的，是唯一起“作用”的，没有力我们如何知道磁场的存在？

磁唯一特征是生成电场。而磁场的唯一形成原因又是电。

既然磁不产生力，那凭什么认定磁场存在？本人认为电场直接生成电场。

原始理论：磁——力
电磁场理论：电——磁——电——力
龙虾观点：电——电——力

磁场是一个虚构的东西，只是一种分析工具，不是什么物质。在需要的时候你可以用它，但如果电——电——力分析更直接，你又何必中间加上一个磁？

用“电——磁——电——力”分析变压器，先用右手把四指方向换算也姆指方向，然后又后左手把姆指方向换算成四指方向。

用“电——电——力”分析就简单了：初级正向电流加速，引起次级负向电流加速。

赏花邀月

先收藏，再慢慢学习 。

蒙古乐忽门

请教一下龙虾老师,"正因为用磁理论已经想不出更透彻的东西，所以改用涡旋电场来分析，它更直观直接。原始理论认为磁动可以产生电流。电磁场理论进了一步，认为磁动先产生涡旋电场，然后由涡旋电场产生电流。磁是不产生力的！"
那么静磁场产生的力如何解释呢?比如两块磁铁,同极排斥,异极吸引?

龙虾

磁场的互相作用力是因为同向电流吸引，异向电流排斥。磁体无非是磁铁，线圈，磁铁里面是磁畴，磁畴里面是电流。产生作用力的是里面的电流。同向电流吸引，异向电流排斥。

这次我自己收获最大的是AB两点的电压分析，终于解开了几个月都没有想通的问题。还是自己的一句话提醒了：涡旋电场中两点之间的电压还要由路径决定。

在大学物理中有关涡旋场的部分也只是一语带过，但却引起了不少同学的兴奋，下课时把物理老师围得水泄不通。有同学说永动机可以做了。

在电感回路中磁场之所以不好分析，是因为生电的不是磁而“磁动”。我们虽然熟悉磁场的分布图，但对“磁动”的分布图缺乏了解。

常规理论告诉我们磁可以在电感里面产生一个电压，但没有告诉我们同样一个磁场不会在电感外面产生抵消电压。是这涉及到“磁动”的涡旋性，如果没有旋度，你离得再远躲得再远，也躲不开它的反向抵消。如果“磁动旋度”分布图再由“磁动”分布图推算出来，那就更难以想象。

dac-8

效果怎么样？

龙虾

后来我又看了一些资料，相关的概念包括：近源场、远源场、波阻、低阻波、高阻波、平面波，等等。

对照一楼的文章：

第1段讲的是远源场，377欧波阻的情况，平面波的情况；

第2段讲的是近源场，低阻波的情况，非平面波柱状辐射情况。


后来我在别的贴子中还谈到过反射与重新发射的区别。

现在可以增加两点，一是波阻的区别，二是平面波与非平面波的区别。加上这两点区别，钢筋周边的情况就更不应该理解为电波反射。

当然，离钢很远时，钢筋等同于一点，区分入射点与发射点已经没有意义，波也变成377欧平面波，这时把它理解为反射就没什么问题了。

老K

在长大钢筋附近，由于钢筋吸收了电磁波，形成了一个相对较强的场强范围。
环形天线接收电磁波的强度，取决于它的面积、圈数、所在地场强。所以，圈数越多越好。但是，随着圈数的增加，电感量也增加了，就会超出LC回路的中波接收范围。我们要做的事情，一方面增加圈数，一方面减少电感量的增加。

[ 本帖最后由 老K 于 2010-4-27 11:59 编辑 ]