Jeśli chodzi oantenyLudzie najczęściej zadają sobie pytanie: „W jaki sposób właściwie uzyskuje się promieniowanie?”. W jaki sposób pole elektromagnetyczne generowane przez źródło sygnału rozchodzi się przez linię transmisyjną i wewnątrz anteny, a następnie „oddziela się” od anteny, tworząc falę kosmiczną.
1. Promieniowanie jednoprzewodowe
Załóżmy, że gęstość ładunku, wyrażona jako qv (Coulomb/m3), jest równomiernie rozłożona w przewodzie kołowym o przekroju poprzecznym 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 = qv vz （1）
Jeżeli przewód jest wykonany z idealnego przewodnika, gęstość prądu Js na powierzchni przewodu wynosi:
Js = qs vz （2）
Gdzie qs to gęstość ładunku powierzchniowego. Jeśli drut jest bardzo cienki (idealnie promień wynosi 0), natężenie prądu w drucie można wyrazić wzorem:
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 zmienia się w czasie, pochodna wzoru (3) względem czasu jest następująca:
(4)
az to przyspieszenie ładunku. Jeżeli długość drutu wynosi l, równanie (4) można zapisać następująco:
(5)
Równanie (5) przedstawia podstawową zależność między prądem a ładunkiem, a także podstawową zależność promieniowania elektromagnetycznego. Mówiąc prościej, aby wytworzyć promieniowanie, musi występować zmienny w czasie prąd lub przyspieszenie (lub spowolnienie) ładunku. Prąd zazwyczaj jest używany w zastosowaniach harmonicznych w czasie, a ładunek najczęściej w zastosowaniach przejściowych. Aby uzyskać przyspieszenie (lub spowolnienie) ładunku, przewód musi być zgięty, złożony i nieciągły. Gdy ładunek oscyluje w ruchu harmonicznym w czasie, będzie również wytwarzał okresowe przyspieszenie (lub spowolnienie) ładunku lub zmienny w czasie prąd. Zatem:
1) Jeśli 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, promieniowanie nie występuje.
b. Jeśli przewód jest wygięty, złożony lub nieciągły, jak pokazano na rysunku 2, występuje promieniowanie.
3) Jeżeli ładunek oscyluje w czasie, będzie się on rozpraszał, nawet jeśli przewód jest prosty.
Rysunek 2
Jakościowe zrozumienie mechanizmu promieniowania można uzyskać, analizując źródło impulsów podłączone do otwartego przewodu, który można uziemić poprzez 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 po stronie źródłowej i zwalniane (ujemne przyspieszenie względem ruchu początkowego) po odbiciu od jego końca, na jego końcach i wzdłuż reszty przewodu generowane jest pole promieniowania. Przyspieszanie ładunków jest realizowane przez zewnętrzne źródło siły, które wprawia je w ruch i wytwarza związane z tym pole promieniowania. Zwalnianie ładunków na końcach przewodu jest realizowane przez siły wewnętrzne związane z polem indukowanym, które jest spowodowane gromadzeniem się skoncentrowanych ładunków na końcach przewodu. Siły wewnętrzne zyskują energię z gromadzenia się ładunku, gdy jego prędkość maleje do zera na końcach przewodu. Zatem przyspieszenie ładunków spowodowane wzbudzeniem pola elektrycznego oraz ich spowolnienie spowodowane nieciągłością lub płynną krzywą impedancji przewodu stanowią mechanizmy generowania promieniowania elektromagnetycznego. Chociaż zarówno gęstość prądu (Jc), jak i gęstość ładunku (qv) są terminami źródłowymi w równaniach Maxwella, ładunek jest uważany za wartość bardziej fundamentalną, szczególnie w przypadku pól przejściowych. Chociaż to wyjaśnienie promieniowania jest stosowane głównie w stanach przejściowych, można je również wykorzystać do wyjaśnienia promieniowania w stanie ustalonym.
Poleć kilka doskonałychprodukty antenowewyprodukowano przezRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Promieniowanie dwuprzewodowe
Podłącz źródło napięcia do dwuprzewodowej linii transmisyjnej połączonej z anteną, 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 wymuszają ich ruch. 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 one 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 na żadnych ładunkach. Linie pola magnetycznego zawsze tworzą zamknięte pętle wokół przewodników z prądem, ponieważ w fizyce nie występują ładunki magnetyczne. W niektórych wzorach matematycznych wprowadza się równoważne ładunki magnetyczne i prądy magnetyczne, aby pokazać dualizm między rozwiązaniami obejmującymi źródła mocy i pola magnetycznego.
Linie pola elektrycznego poprowadzone między dwoma przewodnikami pomagają zobrazować rozkład ładunku. Zakładając, że źródło napięcia jest sinusoidalne, oczekujemy, że pole elektryczne między przewodnikami również będzie sinusoidalne, z okresem równym okresowi źródła. Względna wartość 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 rozchodzi się wzdłuż linii transmisyjnej, jak pokazano na rysunku 3(a). Fala elektromagnetyczna wchodzi do anteny wraz z ładunkiem i odpowiadającym mu prądem. Jeśli usuniemy część konstrukcji anteny, jak pokazano na rysunku 3(b), można utworzyć falę w wolnej przestrzeni poprzez „połączenie” otwartych końców linii pola elektrycznego (pokazanych liniami przerywanymi). Fala w wolnej przestrzeni jest również okresowa, ale punkt P0 o stałej fazie porusza się na zewnątrz z prędkością światła i pokonuje odległość λ/2 (do P1) w ciągu połowy okresu czasu. W pobliżu anteny punkt o stałej fazie P0 porusza się szybciej niż prędkość światła i zbliża się do niej w punktach oddalonych od anteny. Rysunek 4 przedstawia rozkład pola elektrycznego anteny λ∕2 w przestrzeni swobodnej dla 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 oddzielają się od anteny i ostatecznie formują się w celu propagacji w wolnej przestrzeni. Fale kierowane i fale w wolnej przestrzeni można porównać do fal wodnych, które mogą powstać na skutek wrzucenia kamienia do spokojnej wody lub w inny sposób. Gdy tylko zaburzenie wody się rozpocznie, generowane są fale wodne, które zaczynają się rozchodzić na zewnątrz. Nawet jeśli zaburzenie ustanie, fale nie ustają, lecz nadal rozchodzą się do przodu. Jeśli zaburzenie się utrzymuje, stale generowane są nowe fale, a ich propagacja jest opóźniona w stosunku do pozostałych fal.
To samo dotyczy fal elektromagnetycznych generowanych przez zaburzenia elektryczne. Jeśli początkowe zaburzenie elektryczne ze źródła trwa krótko, wygenerowane fale elektromagnetyczne propagują się wewnątrz linii transmisyjnej, następnie docierają do anteny i ostatecznie promieniują jako fale w swobodnej przestrzeni, nawet jeśli wzbudzenie już nie występuje (podobnie jak fale na wodzie i wywołane przez nie zaburzenia). Jeśli zaburzenie elektryczne jest ciągłe, fale elektromagnetyczne istnieją w sposób ciągły i podążają tuż za nimi podczas propagacji, jak pokazano na antenie dwustożkowej przedstawionej na rysunku 5. Gdy fale elektromagnetyczne znajdują się wewnątrz linii transmisyjnych i anten, ich istnienie jest związane z obecnością ładunku elektrycznego wewnątrz przewodnika. Jednakże, gdy fale są emitowane, tworzą zamkniętą pętlę i nie ma ładunku, który podtrzymywałby ich istnienie. Prowadzi nas to do następującego wniosku:
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 swobodnej przestrzeni, biorąc za przykład antenę dipolową. Chociaż jest to uproszczone wyjaśnienie, pozwala ono również intuicyjnie zobaczyć powstawanie fal w swobodnej przestrzeni. Rysunek 6(a) przedstawia 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 pierwotne trzy linie pola elektrycznego przesuwają się o kolejne λ∕4 (łącznie λ∕2 od punktu początkowego), a gęstość ładunku na przewodniku zaczyna spadać. 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 numer 3 i pokonują 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 antena nie ma ładunku wypadkowego, linie pola elektrycznego muszą zostać oddzielone od przewodnika i połączone, tworząc zamkniętą pętlę. Pokazano to na rysunku 6(c). W drugiej połowie powtarzany jest ten sam proces fizyczny, ale zwróć uwagę na odwrotny kierunek. Następnie proces jest powtarzany i kontynuowany w nieskończoność, tworząc rozkład pola elektrycznego podobny do tego na rysunku 4.
Rysunek 6
Aby dowiedzieć się więcej o antenach, odwiedź stronę:
Czas publikacji: 20-06-2024
