Jeśli chodzi oantenypytanie, które ludzi najbardziej niepokoi, brzmi: „W jaki sposób faktycznie uzyskuje się promieniowanie?”W jaki sposób pole elektromagnetyczne generowane przez źródło sygnału rozchodzi się w linii przesyłowej i wewnątrz anteny, a ostatecznie „oddziela się” od anteny, tworząc wolną falę przestrzenną.
1. Promieniowanie jednoprzewodowe
Załóżmy, że gęstość ładunku wyrażona jako qv (kulomb/m3) jest równomiernie rozłożona w okrągłym drucie 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 ze stałą prędkością Vz (m/s).Można wykazać, że gęstość prądu Jz na przekroju drutu wynosi:
Jz = qv vz （1）
Jeżeli drut jest wykonany z przewodnika idealnego, gęstość prądu Js na powierzchni drutu wynosi:
Js = qs vz （2）
Gdzie qs jest gęstością ładunku powierzchniowego.Jeśli drut jest bardzo cienki (idealnie promień wynosi 0), prąd w przewodzie można wyrazić jako:
Iz = ql vz (3)
Gdzie ql (kulomb/metr) to ładunek na jednostkę długości.
Zajmujemy się głównie cienkimi drutami i wnioski dotyczą trzech powyższych przypadków.Jeżeli prąd jest zmienny w czasie, pochodna wzoru (3) po czasie jest następująca:
（4）
az to przyspieszenie ładunku.Jeżeli długość drutu wynosi l, (4) można zapisać w następujący sposób:
（5）
Równanie (5) jest podstawową zależnością pomiędzy prądem i ładunkiem, a także podstawową zależnością promieniowania elektromagnetycznego.Mówiąc najprościej, aby wytworzyć promieniowanie, musi wystąpić zmienny w czasie prąd lub przyspieszenie (lub opóźnienie) ładunku.Zwykle wspominamy o prądzie w zastosowaniach związanych z harmonicznymi czasu, a ładunek jest najczęściej wymieniany w zastosowaniach przejściowych.Aby wywołać przyspieszenie (lub opóźnienie) ładunku, drut musi być zgięty, złożony i nieciągły.Kiedy ładunek oscyluje w ruchu harmonicznym w czasie, będzie również wytwarzać okresowe przyspieszanie (lub zwalnianie) ładunku lub prąd zmienny w czasie.Dlatego:
1) Jeśli ładunek się nie porusza, nie będzie prądu ani promieniowania.
2) Jeżeli ładunek porusza się ze stałą prędkością:
A.Jeśli drut jest prosty i ma nieskończoną długość, nie ma promieniowania.
B.Jeśli drut jest zgięty, złożony lub nieciągły, jak pokazano na rysunku 2, występuje promieniowanie.
3) Jeśli ładunek oscyluje w czasie, ładunek będzie promieniował, nawet jeśli drut jest prosty.
Rysunek 2
Jakościowe zrozumienie mechanizmu promieniowania można uzyskać, przyglądając się źródłu impulsowemu podłączonemu do otwartego przewodu, który może być uziemiony poprzez obciążenie na jego otwartym końcu, jak pokazano na rysunku 2 (d).Kiedy drut jest początkowo zasilany, ładunki (wolne elektrony) w drucie są wprawiane w ruch przez linie pola elektrycznego generowane przez źródło.Gdy ładunki są przyspieszane na źródłowym końcu drutu i zwalniane (ujemne przyspieszenie w stosunku do pierwotnego ruchu) po odbiciu na jego końcu, na jego końcach i wzdłuż reszty drutu generowane jest pole promieniowania.Przyspieszenie ładunków jest realizowane przez zewnętrzne źródło siły, które wprawia ładunki w ruch i wytwarza związane z nimi pole promieniowania.Spowalnianie ładunków na końcach drutu odbywa się za pomocą sił wewnętrznych związanych z indukowanym polem, które jest spowodowane gromadzeniem się skoncentrowanych ładunków na końcach drutu.Siły wewnętrzne zyskują energię w wyniku akumulacji ładunku, gdy jego prędkość maleje do zera na końcach drutu.Dlatego przyspieszenie ładunków na skutek wzbudzenia pola elektrycznego i spowolnienie ładunków na skutek nieciągłości lub gładkiej krzywej impedancji drutu są mechanizmami wytwarzania promieniowania elektromagnetycznego.Chociaż zarówno gęstość prądu (Jc), jak i gęstość ładunku (qv) są terminami źródłowymi w równaniach Maxwella, ładunek jest uważany za wielkość bardziej podstawową, szczególnie w przypadku pól przejściowych.Chociaż to wyjaśnienie promieniowania jest stosowane głównie w przypadku stanów przejściowych, można je również zastosować do wyjaśnienia promieniowania w stanie ustalonym.
Poleć kilka znakomitychprodukty 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 przesyłowej podłączonej do anteny, jak pokazano na rysunku 3 (a).Przyłożenie napięcia do linii dwuprzewodowej powoduje wytworzenie pola elektrycznego pomiędzy przewodnikami.Linie pola elektrycznego działają na wolne elektrony (łatwo oddzielone od atomów) podłączone do każdego przewodnika i zmuszają je do ruchu.Ruch ładunków generuje prąd, który z kolei wytwarza pole magnetyczne.
Rysunek 3
Przyjęliśmy, że linie pola elektrycznego zaczynają się od ładunków dodatnich, a kończą na ładunkach ujemnych.Oczywiście mogą również zaczynać się od ładunków dodatnich i kończyć w nieskończoności;lub zacznij od nieskończoności i zakończ ładunkami ujemnymi;lub tworzą zamknięte pętle, które nie zaczynają się ani nie kończą żadnymi ładunkami.Linie pola magnetycznego zawsze tworzą zamknięte pętle wokół przewodników z prądem, ponieważ w fizyce nie ma ładunków magnetycznych.W niektórych wzorach matematycznych wprowadza się równoważne ładunki magnetyczne i prądy magnetyczne, aby pokazać dualizm rozwiązań obejmujących energię i źródła magnetyczne.
Linie pola elektrycznego narysowane pomiędzy dwoma przewodnikami pomagają pokazać rozkład ładunku.Jeśli założymy, że źródło napięcia jest sinusoidalne, spodziewamy się, że pole elektryczne pomiędzy przewodnikami będzie również 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).Wytwarzanie zmiennych w czasie pól elektrycznych i magnetycznych pomiędzy przewodnikami tworzy falę elektromagnetyczną, która rozprzestrzenia się wzdłuż linii przesyłowej, jak pokazano na rysunku 3 (a).Fala elektromagnetyczna wchodzi do anteny z ładunkiem i odpowiednim prądem.Jeśli usuniemy część konstrukcji anteny, jak pokazano na rysunku 3 (b), falę w wolnej przestrzeni można utworzyć poprzez „połączenie” otwartych końców linii pola elektrycznego (pokazanych liniami przerywanymi).Fala w swobodnej przestrzeni jest również okresowa, ale punkt P0 o stałej fazie przemieszcza się na zewnątrz z prędkością światła i pokonuje odległość λ/2 (do P1) w ciągu połowy okresu.W pobliżu anteny punkt P0 o stałej fazie porusza się szybciej niż prędkość światła i zbliża się do prędkości światła w punktach oddalonych od anteny.Rysunek 4 przedstawia rozkład pola elektrycznego anteny λ∕2 w wolnej przestrzeni w t = 0, t/8, t/4 i 3T/8.
Rysunek 4 Rozkład pola elektrycznego anteny λ∕2 w wolnej przestrzeni w t = 0, t/8, t/4 i 3T/8
Nie wiadomo, w jaki sposób fale kierowane są oddzielane od anteny i ostatecznie formowane tak, aby rozprzestrzeniać się w wolnej przestrzeni.Fale prowadzone i swobodne można porównać do fal wodnych, które mogą zostać wywołane przez kamień upuszczony do spokojnego zbiornika wodnego lub w inny sposób.Kiedy zaczynają się zakłócenia w wodzie, powstają fale wodne, które zaczynają się rozprzestrzeniać na zewnątrz.Nawet jeśli zakłócenia ustaną, fale nie ustaną, ale nadal będą się rozprzestrzeniać.Jeśli zaburzenie nie ustępuje, stale generowane są nowe fale, a propagacja tych fal opóźnia się w stosunku do innych fal.
To samo dotyczy fal elektromagnetycznych generowanych przez zakłócenia elektryczne.Jeżeli początkowe zaburzenie elektryczne ze źródła jest krótkotrwałe, wygenerowane fale elektromagnetyczne rozchodzą się wewnątrz linii przesyłowej, następnie przedostają się do anteny i ostatecznie emitują jako fale w wolnej przestrzeni, mimo że wzbudzenie już nie występuje (podobnie jak fale wodne i wywołane przez nie zakłócenia).Jeśli zaburzenie elektryczne ma charakter ciągły, fale elektromagnetyczne istnieją w sposób ciągły i podążają tuż za nimi podczas propagacji, jak pokazano na dwustożkowej antenie pokazanej na rysunku 5. Kiedy fale elektromagnetyczne występują wewnątrz linii przesyłowych i anten, ich istnienie jest związane z istnieniem pola elektrycznego ładunek wewnątrz przewodnika.Jednakże, gdy fale są wypromieniowane, tworzą zamkniętą pętlę i nie ma ładunku utrzymującego ich istnienie.Prowadzi nas to do wniosku, że:
Wzbudzenie pola wymaga przyspieszania i zwalniania ładunku, ale utrzymanie pola nie wymaga przyspieszania i zwalniania ładunku.
Rysunek 5
3. Promieniowanie dipolowe
Próbujemy wyjaśnić mechanizm, dzięki któremu linie pola elektrycznego odrywają się od anteny i tworzą fale w wolnej przestrzeni, na przykładzie anteny dipolowej.Chociaż jest to uproszczone wyjaśnienie, pozwala również ludziom intuicyjnie zobaczyć powstawanie fal w wolnej przestrzeni.Rysunek 6(a) przedstawia linie pola elektrycznego generowane pomiędzy dwoma ramionami dipola, gdy linie pola elektrycznego przesuwają się na zewnątrz o λ∕4 w pierwszej ćwiartce cyklu.Na potrzeby tego przykładu załóżmy, że liczba utworzonych linii pola elektrycznego wynosi 3. W kolejnym kwartale cyklu pierwotne trzy linie pola elektrycznego przesuwają się o kolejne λ∕4 (w sumie λ∕2 od punktu początkowego), i gęstość ładunku w przewodniku zaczyna spadać.Można uznać, że powstaje w wyniku wprowadzenia przeciwnych ładunków, które znoszą ładunki znajdujące się na przewodniku pod koniec pierwszej połowy cyklu.Linie pola elektrycznego generowane przez przeciwne ładunki wynoszą 3 i przemieszczają się na odległość λ∕4, co przedstawiono liniami przerywanymi na rysunku 6(b).
Ostateczny wynik jest taki, że w pierwszej odległości λ∕4 występują trzy skierowane w dół linie pola elektrycznego i taka sama liczba skierowanych w górę linii pola elektrycznego w drugiej odległości λ∕4.Ponieważ na antenie nie ma ładunku netto, linie pola elektrycznego muszą zostać oddzielone od przewodnika i połączyć się, tworząc zamkniętą pętlę.Pokazano to na rysunku 6(c).W drugiej połowie następuje ten sam proces fizyczny, ale należy pamiętać, że kierunek jest odwrotny.Następnie proces się powtarza i trwa w nieskończoność, tworząc rozkład pola elektrycznego podobny do rysunku 4.
Rysunek 6
Więcej informacji na temat anten można znaleźć na stronie:
Czas publikacji: 20 czerwca 2024 r
