Jeśli chodzi oanteny, pytanie, które najbardziej nurtuje ludzi brzmi: „Jak właściwie uzyskuje się promieniowanie?” W jaki sposób pole elektromagnetyczne generowane przez źródło sygnału rozprzestrzenia się przez linię transmisyjną i wewnątrz anteny, a na końcu „oddziela się” od anteny, tworząc wolną falę kosmiczną.
1. Promieniowanie jednoprzewodowe
Załóżmy, że gęstość ładunku, wyrażona jako qv (Coulomb/m3), jest równomiernie rozłożona w przewodzie kołowym o polu przekroju poprzecznego a i objętości V, jak pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1
Całkowity ładunek Q w objętości V porusza się w kierunku z z jednostajną prędkością Vz (m/s). Można udowodnić, że gęstość prądu Jz na przekroju poprzecznym przewodu wynosi:
Jz = qvz (1)
Jeżeli przewód wykonany jest z idealnego przewodnika, gęstość prądu Js na powierzchni przewodu wynosi:
Js = qs vz (2)
Gdzie qs jest gęstością ładunku powierzchniowego. Jeśli drut jest bardzo cienki (idealnie promień wynosi 0), prąd w drucie można wyrazić jako:
Iz = ql vz (3)
Gdzie ql (kulomb/metr) to ładunek na jednostkę długości.
Zajmujemy się głównie cienkimi drutami, a wnioski odnoszą się do trzech powyższych przypadków. Jeśli prąd jest zmienny w czasie, pochodna wzoru (3) względem czasu jest następująca:
(4)
az jest przyspieszeniem ładunku. Jeżeli długość drutu wynosi l, (4) można zapisać następująco:
(5)
Równanie (5) to podstawowy związek między prądem a ładunkiem, a także podstawowy związek promieniowania elektromagnetycznego. Mówiąc prościej, aby wytworzyć promieniowanie, musi istnieć zmienny w czasie prąd lub przyspieszenie (lub zwalnianie) ładunku. Zwykle wspominamy o prądzie w zastosowaniach harmonicznych w czasie, a ładunek jest najczęściej wspominany w zastosowaniach przejściowych. Aby wytworzyć przyspieszenie (lub zwalnianie) ładunku, drut musi być zgięty, złożony i nieciągły. Gdy ładunek oscyluje w ruchu harmonicznym w czasie, będzie również wytwarzał okresowe przyspieszenie (lub zwalnianie) ładunku lub zmienny w czasie prąd. Dlatego:
1) Jeżeli ładunek się nie porusza, nie będzie prądu i promieniowania.
2) Jeżeli ładunek porusza się ze stałą prędkością:
a. Jeśli przewód jest prosty i ma nieskończoną długość, nie ma promieniowania.
b. Jeśli przewód jest wygięty, złożony lub nieciągły, jak pokazano na rysunku 2, występuje promieniowanie.
3) Jeżeli ładunek oscyluje w czasie, będzie się on rozchodził, nawet jeśli przewód jest prosty.
Rysunek 2
Jakościowe zrozumienie mechanizmu promieniowania można uzyskać, patrząc na źródło impulsów podłączone do otwartego przewodu, który można uziemić przez obciążenie na jego otwartym końcu, jak pokazano na rysunku 2(d). Gdy przewód jest początkowo zasilany, ładunki (swobodne elektrony) w przewodzie są wprawiane w ruch przez linie pola elektrycznego generowane przez źródło. Gdy ładunki są przyspieszane na końcu przewodu u źródła i zwalniane (ujemne przyspieszenie w stosunku do pierwotnego ruchu) po odbiciu na jego końcu, pole promieniowania jest generowane na jego końcach i wzdłuż reszty przewodu. Przyspieszenie ładunków jest osiągane przez zewnętrzne źródło siły, które wprawia ładunki w ruch i wytwarza powiązane pole promieniowania. Zwalnianie ładunków na końcach przewodu jest osiągane przez siły wewnętrzne związane z polem indukowanym, które jest spowodowane gromadzeniem się skoncentrowanych ładunków na końcach przewodu. Siły wewnętrzne zyskują energię z gromadzenia ładunku, gdy jego prędkość maleje do zera na końcach przewodu. Dlatego przyspieszenie ładunków spowodowane wzbudzeniem pola elektrycznego i spowolnienie ładunków spowodowane nieciągłością lub gładką krzywą impedancji przewodu są mechanizmami generowania promieniowania elektromagnetycznego. Chociaż zarówno gęstość prądu (Jc), jak i gęstość ładunku (qv) są terminami źródłowymi w równaniach Maxwella, ładunek jest uważany za bardziej fundamentalną wielkość, szczególnie w przypadku pól przejściowych. Chociaż to wyjaśnienie promieniowania jest stosowane głównie w przypadku stanów przejściowych, można go również użyć do wyjaśnienia promieniowania w stanie ustalonym.
Poleć kilka doskonałychprodukty antenowewyprodukowano przezRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. Promieniowanie dwuprzewodowe
Podłącz źródło napięcia do dwuprzewodowej linii transmisyjnej podłączonej do anteny, jak pokazano na rysunku 3(a). Przyłożenie napięcia do dwuprzewodowej linii generuje pole elektryczne między przewodnikami. Linie pola elektrycznego działają na swobodne elektrony (łatwo oddzielające się od atomów) podłączone do każdego przewodnika i zmuszają je do ruchu. Ruch ładunków generuje prąd, który z kolei generuje pole magnetyczne.
Rysunek 3
Przyjęliśmy, że linie pola elektrycznego zaczynają się od ładunków dodatnich i kończą na ładunkach ujemnych. Oczywiście mogą również zaczynać się od ładunków dodatnich i kończyć w nieskończoności; lub zaczynać się w nieskończoności i kończyć na ładunkach ujemnych; lub tworzyć zamknięte pętle, które nie zaczynają się ani nie kończą żadnymi ładunkami. Linie pola magnetycznego zawsze tworzą zamknięte pętle wokół przewodników przewodzących prąd, ponieważ w fizyce nie ma ładunków magnetycznych. W niektórych wzorach matematycznych wprowadza się równoważne ładunki magnetyczne i prądy magnetyczne, aby pokazać dualizm między rozwiązaniami obejmującymi źródła mocy i magnetyczne.
Linie pola elektrycznego narysowane między dwoma przewodnikami pomagają pokazać rozkład ładunku. Jeśli założymy, że źródło napięcia jest sinusoidalne, spodziewamy się, że pole elektryczne między przewodnikami również będzie sinusoidalne z okresem równym okresowi źródła. Względna wielkość natężenia pola elektrycznego jest reprezentowana przez gęstość linii pola elektrycznego, a strzałki wskazują względny kierunek (dodatni lub ujemny). Generowanie zmiennych w czasie pól elektrycznych i magnetycznych między przewodnikami tworzy falę elektromagnetyczną, która rozprzestrzenia się wzdłuż linii transmisyjnej, jak pokazano na rysunku 3(a). Fala elektromagnetyczna wchodzi do anteny z ładunkiem i odpowiadającym jej prądem. Jeśli usuniemy część struktury anteny, jak pokazano na rysunku 3(b), można utworzyć falę w wolnej przestrzeni przez „łączenie” otwartych końców linii pola elektrycznego (przedstawionych liniami przerywanymi). Fala w wolnej przestrzeni jest również okresowa, ale punkt o stałej fazie P0 porusza się na zewnątrz z prędkością światła i pokonuje odległość λ/2 (do P1) w połowie okresu czasu. W pobliżu anteny punkt o stałej fazie P0 porusza się szybciej niż prędkość światła i zbliża się do prędkości światła w punktach oddalonych od anteny. Rysunek 4 przedstawia rozkład pola elektrycznego w wolnej przestrzeni anteny λ∕2 przy t = 0, t/8, t/4 i 3T/8.
Rysunek 4. Rozkład pola elektrycznego w wolnej przestrzeni anteny λ∕2 przy t = 0, t/8, t/4 i 3T/8
Nie wiadomo, w jaki sposób fale kierowane są oddzielane od anteny i ostatecznie formowane do propagacji w wolnej przestrzeni. Fale kierowane i fale w wolnej przestrzeni możemy porównać do fal wodnych, które mogą być spowodowane przez kamień wrzucony do spokojnego zbiornika wodnego lub w inny sposób. Gdy tylko rozpocznie się zaburzenie w wodzie, fale wodne są generowane i zaczynają się rozprzestrzeniać na zewnątrz. Nawet jeśli zaburzenie ustanie, fale nie ustają, ale nadal rozprzestrzeniają się do przodu. Jeśli zaburzenie utrzymuje się, stale generowane są nowe fale, a propagacja tych fal pozostaje w tyle za innymi falami.
To samo dotyczy fal elektromagnetycznych generowanych przez zaburzenia elektryczne. Jeśli początkowe zaburzenie elektryczne ze źródła trwa krótko, wygenerowane fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się wewnątrz linii transmisyjnej, następnie wchodzą do anteny i ostatecznie promieniują jako fale wolnej przestrzeni, nawet jeśli wzbudzenie nie jest już obecne (podobnie jak fale wodne i wywołane przez nie zaburzenia). Jeśli zaburzenie elektryczne jest ciągłe, fale elektromagnetyczne istnieją nieprzerwanie i podążają tuż za nimi podczas propagacji, jak pokazano na antenie dwustożkowej pokazanej na rysunku 5. Gdy fale elektromagnetyczne znajdują się wewnątrz linii transmisyjnych i anten, ich istnienie jest związane z istnieniem ładunku elektrycznego wewnątrz przewodnika. Jednak gdy fale są emitowane, tworzą zamkniętą pętlę i nie ma ładunku, który podtrzymywałby ich istnienie. Prowadzi nas to do wniosku, że:
Wzbudzenie pola wymaga przyspieszenia i spowolnienia ładunku, natomiast utrzymanie pola nie wymaga przyspieszenia i spowolnienia ładunku.
Rysunek 5
3. Promieniowanie dipolowe
Próbujemy wyjaśnić mechanizm, dzięki któremu linie pola elektrycznego odrywają się od anteny i tworzą fale w wolnej przestrzeni, biorąc za przykład antenę dipolową. Chociaż jest to uproszczone wyjaśnienie, pozwala ono również ludziom intuicyjnie zobaczyć generowanie fal w wolnej przestrzeni. Rysunek 6(a) pokazuje linie pola elektrycznego generowane między dwoma ramionami dipola, gdy linie pola elektrycznego przesuwają się na zewnątrz o λ∕4 w pierwszej ćwiartce cyklu. W tym przykładzie załóżmy, że liczba utworzonych linii pola elektrycznego wynosi 3. W następnej ćwiartce cyklu oryginalne trzy linie pola elektrycznego przesuwają się o kolejne λ∕4 (łącznie λ∕2 od punktu początkowego), a gęstość ładunku na przewodniku zaczyna się zmniejszać. Można uznać, że powstaje ona w wyniku wprowadzenia przeciwnych ładunków, które znoszą ładunki na przewodniku pod koniec pierwszej połowy cyklu. Linie pola elektrycznego generowane przez ładunki o przeciwnych znakach mają postać 3 i przesuwają się o odległość λ∕4, co przedstawiono liniami przerywanymi na rysunku 6(b).
Końcowym rezultatem jest to, że w pierwszej odległości λ∕4 występują trzy linie pola elektrycznego skierowane w dół i taka sama liczba linii pola elektrycznego skierowanych w górę w drugiej odległości λ∕4. Ponieważ na antenie nie ma ładunku netto, linie pola elektrycznego muszą zostać zmuszone do oddzielenia się od przewodnika i połączenia się, aby utworzyć zamkniętą pętlę. Pokazano to na rysunku 6(c). W drugiej połowie następuje ten sam proces fizyczny, ale należy zauważyć, że kierunek jest przeciwny. Następnie proces jest powtarzany i trwa w nieskończoność, tworząc rozkład pola elektrycznego podobny do rysunku 4.
Rysunek 6
Więcej informacji na temat anten znajdziesz na stronie:
Czas publikacji: 20-06-2024
