Magnetisk loop #09

Nærfelt

(Return later for English version – – est. August 2016)
Befinder man sig langt fra en elektrisk støjkilde er størrelsen af dens elektriske felt blevet ændret, så det ikke længere er dominant. Dette uanset hvorledes forholdet mellem de to var helt tæt på kilden. Derfor er der ingen fordel i at have en induktiv koblet antenne, hvis man befinder sig langt fra støjkilden. Man så at sige får hele støjen med, selv om man kun “tager” det magnetiske felt. Befinder man sig tæt på senderen, er forholdene anderledes. Hvis en elektrisk støjkilde udsender elektromagnetisk stråling via en (pisk)antenne, som er meget lille i forhold til bølgelængden, er det elektriske felt som udgangspunkt kraftigere end det magnetiske. Dets impedans er høj og kapacitiv. Her vil en magnetisk loop antenne undertrykke det elektriske felt og dermed give mere plads til de gode radiosignaler fra vores medamatører.
For at belyse det, skal vi undersøge to spørgsmål:

Hvad forstår man ved ”langt fra” antennen og dermed: hvad forstår man ved ”tæt ved” antennen? Nærfelt (near field) og fjernfelt (far field), som det kaldes.

og

Hvad foregår der i nærfeltet?

Der er ikke enighed blandt forskere om svaret på det første spørgsmål. Nogle anvender en model, hvor der er et nærfelt og et fjernfelt. Mellem de to felter er der en overgangszone, hvori signalet bliver omdannet til det elektromagnetiske felt, som vi kender fra fjernzonen. Andre bruger modeller, hvor der ikke er en overgangszone (transition zone). For ikke at gøre tingene alt for komplicerede vil jeg holde mig til den model, som Prof. Dr.-Ing. Thomas Eibert fra Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik anvender:

Nærzonen består af en reaktiv (reactive) del, hvor modtagelse af signalet virker tilbage på senderen og en strålings (radiative) del, hvor senderen ikke påvirkes. Størrelsen af den reaktive zone kan beregnes som lambda/2pi og enten E- eller B-feltet er typisk dominerende inden for denne del af nærfeltet. Om det er det ene eller det andet felt, som er dominerende, afhænger af hvilken antenne, som sender signalet af sted. Hvis antennen er meget lille i forhold til bølgelængden, vil det elektriske felt være dominerende inden for nærfeltet. 2d^2/lamda (Frauenhofer afstanden) er den afstand fra senderen, hvor fjernfeltet begynder. d er det strålende elements størrelse. I forbindelse med elektrisk støj er selve det strålende element meget lille og det betyder, at Frauenhofer afstanden er meget lille. I vores sammenhæng kan vi derfor som oftest koncentrere os om den reaktive zone. Dvs. en afstand på maksimalt λ/2π.

Og hvad angår svaret på det andet spørgsmål om, hvad der foregår i nærfeltet, er svaret: Det er yderst kompliceret. Meget mere komplekst end fjernfeltet, som på sin vis er ensartet (men kræver avanceret matematik at beskrive). I nærfeltet kan der på samme tid optræde forskellige polariteter og forskellig styrke af de to felter. Områder inden for nærfeltet er koblede til hinanden, men i to punkter ved siden af hinanden kan det elektromagnetiske felt vise sig på to forskellige måder.

Og hvad betyder alt det så for vores magnetiske loops evne til at undertrykke elektrisk frembragt radiostøj?
Det betyder, at det er korrekt, at et magnetisk loop kan undertrykke elektrisk støj, men at det typisk har effekt inden for en afstand fra transmitteren påλ/2π. På 20 m båndet svarer det til ca. 3,5 m og på 80 m båndet svarer det til ca. 13 m. Antennen dæmper med andre ord kun signaler fra støj, som er frembragt ganske tæt på. Selv om et signal ganske tæt på støjkilden overordnet set er domineret af det elektriske felt, er forholdene så komplekse i nærfeltet, at det kan være svært at sige noget om dæmpningens størrelse. Dertil kommer, at signalet i nærfeltet aftager med afstanden i tredje potens. På 10 meters afstand er signalet i nærfeltet således dæmpet 1000 gange i forhold til signalstyrken på 1 meters afstand.

Den magnetiske loop antenne kan altså dæmpe elektrisk støj, men kun inden for ganske korte afstande fra kilden. Virkningsgraden af dæmpningen ved en given position af loop’et er særdeles vanskelig at beregne på grund af den uhyre kompleksitet, der hersker inden for nærfeltet. Beregningerne skal inddrage Maxwells ligninger og man kommer således til at arbejde med sæt af differentialligninger..

James Clerk Maxwell (fra Wikipedia)

Men uanset om der er tale om elektromagnetiske vidundere, myter eller de rene baron von Münchhausen eventyr, er magnetiske loops SJOVE antenner at beskæftige sig med. Og det er helt sikkert, at med lidt tålmodighed kan vi med en meget lille antenne opnå nogle meget fine resultater.

Links: