5D Library › 神圣肘尺与谐振几何 · English
第三章 双绞铜环:磁通抵消与驻波比
周长一肘尺的铜环,常用两股导线绞合而成。这一章给出作者的标准做法,计算使成品环周长恰为一肘尺的下料长度,说明这种环在什么条件下抵消自身磁场、什么条件下不会,并把样书中的测量方案升级为 1.0 版。
标准做法
证据
sacredcubit.com 与 tensorcoil.com 工坊制作的铜环遵循同一规格。
- 线材:退火的 99.9% 电解紫铜(C11000),常用两种线径:1.6 毫米(接近 14 AWG)与 2.0 毫米(接近 12 AWG)。
- 成形:一根导线对折,使两股并排,再以固定节距绞合,即每肘尺固定的绞数。两种绞向(顺时针与逆时针)都有制作。
- 长度:下料长度的选取,要使绞合后成品环的平均周长为 523.5 毫米。绞合会使线对变短,所以下料长度要按「绞合收缩率」校正。
- 闭合:绞合线对的两端用无铅含银焊料焊接,闭合成环。
绞合收缩率
两根直径为 、互相接触的导线绞在一起时,每根导线的中心沿着一条绕线对轴线、半径为 的螺旋线走。沿轴线走过一个节距 (绞一整圈的轴向长度)时,每根导线实际走过 比 长。绞合收缩率是两者之比 要覆盖轴向长度 的一股导线,下料长度应为 。
推导
两种标准线径、三种节距(每掌一绞、每掌两绞、每指一绞):
import math
C = 523.5 # 成品环沿线对轴线的目标周长,mm
for d in (1.6, 2.0): # 线径,mm(14 AWG、12 AWG)
for n in (7, 14, 28): # 每肘尺绞数(每掌一绞、每掌两绞、每指一绞)
p = C / n # 节距,mm
k = p / math.hypot(p, math.pi * d) # 绞合收缩率
print(f"d = {d} mm, {n:2d} twists: pitch {p:5.1f} mm, k = {k:.4f}, "
f"strand cut length {C / k:6.1f} mm")
# d = 1.6 mm, 7 twists: pitch 74.8 mm, k = 0.9977, strand cut length 524.7 mm
# d = 1.6 mm, 14 twists: pitch 37.4 mm, k = 0.9911, strand cut length 528.2 mm
# d = 1.6 mm, 28 twists: pitch 18.7 mm, k = 0.9657, strand cut length 542.1 mm
# d = 2.0 mm, 7 twists: pitch 74.8 mm, k = 0.9965, strand cut length 525.3 mm
# d = 2.0 mm, 14 twists: pitch 37.4 mm, k = 0.9862, strand cut length 530.8 mm
# d = 2.0 mm, 28 twists: pitch 18.7 mm, k = 0.9479, strand cut length 552.3 mm对折导线的每一股,按表中长度下料,再加上对折处和焊点所需的余量;导线总长是它的两倍。每掌一绞时,校正量约一毫米;2 毫米线每指一绞时,校正量将近 29 毫米——不作校正的环会短 5% 以上。
注
绞向(顺时针或逆时针,即 S 绞或 Z 绞)不改变收缩率:两种绞向的螺旋线一样长。在本书讨论的频率上,绞向也不改变环的行为。螺旋线只有在尺寸与波长相当时,才会对左旋、右旋两种圆极化有不同的响应;这里的螺旋半径不到一毫米,而波长是几十厘米甚至更长。
两股线,反向电流
证据
两根导体靠得很近、通以大小相等方向相反的电流时,在这对导线之外,各自的磁场大部分被对方抵消。工程上有两种常见用法。双线并绕(无感绕法)把导线对折后再绕,使线圈几乎没有净磁场,精密线绕电阻就是这样做的。双绞线在每半个绞距处交换两根导体的位置,使一个半绞距里拾取的干扰在下一个半绞距里被抵消;贝尔在 1881 年为电话线申请了这一专利 (Bell 1881)。两者依据的是同一个物理:电流环的远处磁场由它的磁偶极矩决定,也就是电流乘以它所围的面积 (Grover 1946)。
推导
对用 1.6 毫米导线做成、周长一肘尺的环,比较单圈环,以及中心距 2 毫米、电流方向相反的两股线:
import math
mu0 = 4e-7 * math.pi
ell = 0.5235 # 绕环一周的导线长度 = 一肘尺,m
R = ell / (2 * math.pi) # 环的半径,m
a = 0.8e-3 # 导线半径,m(1.6 毫米铜线)
s = 2.0e-3 # 两股线中心距,m
# 单圈:圆形导线环的电感
L_loop = mu0 * R * (math.log(8 * R / a) - 2)
# 反向电流的两股线:长度为 ell 的双线传输线
L_pair = mu0 / math.pi * math.acosh(s / (2 * a)) * ell
# 远场强度取决于磁偶极矩 m = 电流 × 面积
ratio = (ell * s) / (math.pi * R ** 2)
print(f"ring radius {R*1000:.1f} mm")
print(f"single loop: L = {L_loop*1e6:.3f} uH, moment per amp = {math.pi*R**2*1e4:.1f} cm^2")
print(f"opposed pair: L = {L_pair*1e6:.3f} uH, moment per amp = {ell*s*1e4:.1f} cm^2")
print(f"far field of the pair relative to the loop: {ratio:.3f} ({20*math.log10(ratio):.1f} dB)")
# ring radius 83.3 mm
# single loop: L = 0.495 uH, moment per amp = 218.1 cm^2
# opposed pair: L = 0.145 uH, moment per amp = 10.5 cm^2
# far field of the pair relative to the loop: 0.048 (-26.4 dB)反向线对的磁矩只来自两股线之间那条窄带,约为单圈的 5%,所以它的远场弱约 26 dB。把线对绞起来,剩下的大部分也会被抵消,因为每半个绞距都使那条窄带的符号反转一次。
闭合的环什么时候真的抵消?
这是本章最重要的一点。它取决的不是环的长度,而是环的两端怎样连接。绞合环可以用两种方式载流:
- 共模:两股线中的电流沿环同向流动。这时线对就像一根粗导线,环表现为一个具有完整磁矩的普通线圈。
- 差模:两股线中的电流反向流动。磁场抵消的正是这种模式。
一个环能支持哪种模式,由它构造上的三件事决定。
假说 · 尚未验证
1. 两股线之间是否绝缘? 裸铜线互相接触时,沿着绞合有许多接触点,两股线在电气上相连。它们于是成为一根多股导线:几乎不存在差模,只有共模。要有反向电流,需要漆包线(电磁线)或股间的其他绝缘层。闭合之前,用万用表电阻档量一下两个自由端之间,就能立刻知道两股线是否在电气上接触。
2. 焊点连接了哪里? 如果闭合时把对折端和两个自由端焊在同一个焊点上,每一股都从这个焊点出发、回到这个焊点。两股线就成为围着同一面积的两个并联线圈;穿过环的磁场在两股中感应出同向电流,环的响应和单圈环一样。
3. 有没有绝缘间隙? 如果两个自由端彼此焊在一起,但与对折端保持绝缘(例如在两端相接处套一段绝缘套管),唯一的闭合路径是沿一股绕环一周、再沿另一股绕回来。穿过环的磁场感应出的电流,在两股中必须反向流动,感应电压互相抵消:这个环对外部磁场是无感的。
所以,用裸 C11000 铜线绞成、用一个焊点闭合的环,对外部磁场的表现就是一个粗导线的普通单圈环。上面计算的反向电流抵消,描述的是差模,而这种环不能承载差模。用绝缘导线、留有绝缘间隙的环,才是真正的无感(双线)环。下面的测量方案同时检验这两种情况。
用驻波比测量
要看清一肘尺的环或棒在电学上做了什么,最干净的办法是测量它如何反射或耦合射频能量。这是业余无线电爱好者调天线的日常工作,所用的仪器——矢量网络分析仪(VNA)——如今已经很便宜(第五章)。
证据
信号沿特性阻抗为 (通常 50 Ω)的电缆传输,遇到阻抗为 的负载时,一部分被反射。反射系数为 。反射波与前进波在电缆上叠加成驻波,其最大值与最小值之比就是驻波比 ;回波损耗为 dB (Balanis 2016)。与电缆匹配的负载不反射,SWR 为 1。理想的四分之一波长单极天线在共振时电阻约 36.5 Ω。
推导
import math
def swr(z_load, z0=50.0):
gamma = abs((z_load - z0) / (z_load + z0))
return (1 + gamma) / (1 - gamma), -20 * math.log10(gamma) if gamma else float("inf")
for z in (36.5, 50, 75, 25 + 30j):
s, rl = swr(z)
print(f"Z = {z!s:>9} ohm: SWR {s:4.2f}, return loss {rl:5.1f} dB")
# Z = 36.5 ohm: SWR 1.37, return loss 16.1 dB
# Z = 50 ohm: SWR 1.00, return loss inf dB
# Z = 75 ohm: SWR 1.50, return loss 14.0 dB
# Z = (25+30j) ohm: SWR 2.87, return loss 6.3 dB所以,在良好地面上、由 50 Ω 分析仪直接馈电的一肘尺单极天线,应在约 136 MHz 附近出现约 1.4 的 SWR 最小值。
测量方案 1.0
假说 · 尚未验证
测什么。 五个物件,都以一皇家肘尺(523.5 毫米)为工作长度:
- 一根 1.6 毫米直导线,垂直装在 50 × 50 厘米的铝板地面上(作为参照的四分之一波长单极天线);
- 一个周长 523.5 毫米、用 1.6 毫米裸线做的单圈闭合环;
- 一个标准双绞环:1.6 毫米裸 C11000 铜线,每肘尺七绞,用一个焊点闭合;
- 与 3 相同,但每肘尺十四绞、绞向相反;
- 一个用 1.6 毫米漆包铜线绞成的环,对折端与相连的自由端之间留绝缘间隙(真正的双线环)。
怎么测。 用校准过的 NanoVNA 扫描 1–900 MHz(第五章)。物件 1 由分析仪对着地面馈电,记录 S11。物件 2 至 5,在环的两侧、离环 20 毫米处各放一个直径 20 毫米的单圈探测小环,记录两者之间的传输(S21),有环与无环各测一次。每项测量重复三次,每次把物件取下再放回,并记录室温。
测量前写下的预测。
- 物件 1:SWR 最小值落在 130 到 143 MHz 之间,最小 SWR 低于 2。
- 物件 2、3、4:低频时,对探测环耦合的改变彼此接近;周长接近一个波长时出现第一个环共振,因线粗而低于理想的 572.7 MHz;3 和 4 又比 2 低一些,因为绞合的导线比环长。3 与 4 之间,除了导线长度不同所能解释的差别之外没有差别;尤其是,绞向没有影响。
- 物件 5:低频时,对探测环耦合的改变比物件 2 至 4 小至少 20 dB,因为感应电流互相抵消。
发表。 原始扫描文件(Touchstone .s1p/.s2p)、校准文件、照片和分析代码,将作为本书的新版本发表并获得自己的 DOI,不论预测是否成立。
注
关于健康声明。 一肘尺长的铜环有时附带这样的说法出售:能调和能量、净化水、缓解疼痛或改善睡眠。这些说法都没有可靠证据。本章的测量只能显示一个环在测试装置里对射频信号有什么作用,不能说明、本书也不主张它对身体有任何作用。
小结
- 标准铜环用退火 99.9% C11000 紫铜,线径 1.6 或 2.0 毫米,对折、固定节距绞合、用无铅含银焊料闭合。
- 绞合使线对按系数 缩短;每股按 毫米加余量下料,从每掌一绞的约 525 毫米,到 2 毫米线每指一绞的 550 毫米以上。
- 反向电流使远场减弱 20 dB 以上;但闭合的环只有在股间绝缘、焊点留有绝缘间隙时才能承载反向电流。用一个焊点闭合的裸线环,表现为单圈环。
- 测量方案 1.0 比较五个物件,事先写下预测;结果不论如何都会发表。
参考文献
Fan, Y. (2026). The Sacred Cubit and Resonant Geometry: Measuring the Egyptian Royal Cubit, the Quarter Wave and the Bifilar Ring [神圣肘尺与谐振几何] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23666560 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).