Como funciona uma “antena” Theremin?

Eu sempre assumi que o formato das antenas era importante; um monopolo vertical para afinação e um loop horizontal para volume, pensando que isso minimizasse a interferência entre si. Mas parece que eles realmente operam mais na faixa de 200 a 500 kHz. Nessas frequências, uma boa antena teria centenas de metros de comprimento, e o uso de diferentes frequências para cada antena é suficiente para evitar interferências.

Por outro lado, o esquema do Moog Etherwave tem um monte de bobinas em série com as antenas, o que poderia ser um alongamento elétrico ?

A maioria das descrições que li explicam que é apenas a capacitância humana para o aterramento que detune os osciladores; portanto, qualquer forma de metal serve, já que está apenas atuando como uma placa de capacitor.

Esta página descreve algo diferente, porém, que eu não entendo:

Além de 10 polegadas (4 polegadas), as variações de pitch de heterodina de RF são causadas por alterações na "resistência à radiação". Esta é a potência eletromagnética total de RF irradiada da antena de inclinação dividida pelo quadrado da corrente líquida que flui para a antena de inclinação. O campo de afinação é um equilíbrio elétrico / magnético duplo, não apenas um campo capacitivo, como geralmente diz o estado.

Mais algumas explicações aqui

Isso está correto? O que há de errado com a explicação da capacitância?

Mais:

http://www.thereminworld.com/silicon_chip_theremin_modifications.html

Linearizando a sensibilidade do tom - descobri que a oitava superior estava muito comprimida e que as notas mais altas que eu queria tocar estavam tão próximas da antena que não era possível um vibrato preciso. Uma maneira de linearizar a resposta é colocar um indutor em série com a antena.

http://www.dogstar.dantimax.dk/theremin/thersens.htm

Esse efeito é parcialmente compensado pela natureza do circuito sintonizado em LC, cuja frequência depende da raiz quadrada inversa da capacitância. Esta é a principal razão, acredito, porque os osciladores baseados em um único polo (apenas um componente reativo, ou seja, capacitância) nunca foram utilizados para o seu uso. Eu, e provavelmente muitos outros, experimentei osciladores RC, em um esforço para se livrar dessas bobagens traquinas; mesmo o temporizador NE555 comum pode ser usado para esse fim. No entanto, nesses circuitos, a frequência oscilante é inversamente proporcional à capacitância, em vez da raiz quadrada da capacitância, e o efeito da "lei quadrada" é correspondentemente muito pior. Outra maneira de analisar isso é que a sensibilidade (dF / dC) dos circuitos RC é proporcional a 1 / C2 em vez de 1 / C1.5 no caso do circuito LC.

O fato de as theremins usarem misturadores heterodinos não tem nada a ver com RF. As 'antenas' não são antenas no sentido clássico de RF. A explicação da capacitância está correta.

Capacitores e 'antenas' Theremin

O tipo mais simples de capacitor é um capacitor de placa paralela . Isso significa que o capacitor consiste em duas placas de metal separadas por algum material chamado dielétrico. A equação para a capacitância de um capacitor é C = εA / d, onde ε é a permissividade do dielétrico (ε≈8.8541878176 .. × 10 ^ −12 F / m para o ar).

Quando você está operando um theremin, sua mão é uma placa (sua mão está efetivamente aterrada), a antena é a outra e o ar entre as duas é o dielétrico. Ao mover sua mão, você varia a capacitância entre o terra e a antena. Ambas as mãos afetarão ambas as antenas, pois agem como duas placas em paralelo, aumentando a área total.

As duas antenas estão em ângulo reto, porque isso reduz o impacto que sua mão esquerda terá na antena direita e vice-versa. Por exemplo, quando você move a mão para cima e para baixo acima da antena de volume, ela mantém uma distância relativamente constante da antena de inclinação, portanto, sua contribuição para a capacitância geral é constante (e pequena).

Teoria de Operação

Nota / atualização: Consulte a resposta de FredM para obter uma descrição mais detalhada do oscilador.

Ambos os capacitores de antena fazem parte de dois osciladores LC ativos complexos e diferentes . O 'L' refere-se a indutores, que armazenam energia em um campo magnético; o 'C' refere-se a capacitores que armazenam energia em um campo elétrico. Em um oscilador de LC, a energia flui constantemente entre os dois, mudando do potencial elétrico para o potencial magnético.

A frequência do oscilador de afinação está além das frequências de áudio, portanto não pode ser usada diretamente. O theremin possui um terceiro oscilador que opera em uma frequência fixa. O oscilador de afinação e as saídas do oscilador fixo são alimentadas em um misturador heterodino , resultando em uma saída que inclui as frequências de soma e diferença das duas entradas. A frequência da soma é ainda mais alta que o sinal original, portanto é inútil e é filtrada . O sinal resultante é uma frequência única (mais harmônicos ) na faixa de áudio.

A frequência do oscilador de volume é usada para controlar quanto o sinal de áudio é amplificado. Conforme você move a mão, a frequência muda, o ganho do amplificador muda e, portanto, o volume de saída muda.

Há alguma confusão, porque existem duas topologias comuns com elas, no entanto, em ambos os casos, o mecanismo de detecção de distância é puramente capacitivo (elétrico / eletrostático, não magnético ou eletromagnético em grau significativo)

As duas topologias principais são (a) um oscilador de tanque LC com uma série L conectada à antena, formando um circuito ressonante em série. A antena L é muito maior que o tanque L e o tanque C é muito maior que a antena C. Alterações na antena C são "convertidas" através da ressonância LC de uma maneira que causa essas alterações (devido às respectivas afinações as frequências de operação da antena e do tanque) em uma indutância variável "virtual" vista através do indutor do tanque - portanto, enquanto o ressonador da antena está respondendo à variação da capacitância, a frequência do tanque (osciladores) está sendo controlada pela indutância variável - e os dois interagem entre si. outro de uma maneira complexa que melhora a linearidade musical.

(b) A outra topologia comum (inferior) é onde o capacitor do tanque está diretamente paralelo à capacitância da antena e a frequência do oscilador é uma função LC simples e extremamente não linear.

Exemplos de topologia (a) são todas as términas projetadas por Lev Termen, todas as términas projetadas por Bob Moog. Exemplos do tipo (b) incluem as terminas Jaycar / Silicon e a maior parte do lixo simples encontrado na WWW.

Existem outras topologias menos comuns também ...

BTW, o "esquemático" na parte superior desta página é o pior tipo possível de topologia do tipo "b"

Embora eu acredite que a primeira explicação seja a "simples", acho que a segunda explicação faz muito sentido. Como @Kortuk afirmou em seu comentário, você está operando na região de "campo próximo" da antena. Esta é a região que não se comporta exatamente como o que você esperaria se estivesse baseando seus cálculos nos padrões padrão de radiação da antena de campo distante.

No campo próximo, você tem um campo próximo reativo e um campo próximo resistivo. O campo próximo reativo é o local onde os campos E e H são constantemente construídos e colapsados, sem que a energia saia da antena, é apenas alternada entre os dois tipos diferentes de campos. Ao colocar a mão perto da antena, você está efetivamente roubando parte da energia existente nesses campos.

Penso que uma boa comparação seria um par de indutores com alguma indutância mútua. A indutância mútua do segundo indutor faz com que a indutância medida seja alterada no primeiro. O mesmo está acontecendo com a antena. Ao colocar a mão perto da antena, você está retirando parte da energia dos campos E e H que estão alternando na região e, assim, alterando a quantidade de indutância / capacitância que o circuito do tanque LC está vendo e desafinando o oscilador.