Коли справа доходить доантени, питання, яке найбільше хвилює людей, це «Як насправді досягається випромінювання?» Як електромагнітне поле, що генерується джерелом сигналу, поширюється через лінію передачі та всередині антени, і, нарешті, «відокремлюється» від антени, утворюючи хвилю у вільному просторі.
1. Випромінювання одного дроту
Припустимо, що густина заряду, виражена як qv (кулон/м3), рівномірно розподілена в круглому дроті з площею поперечного перерізу a та об'ємом V, як показано на рисунку 1.
Рисунок 1
Загальний заряд Q в об'ємі V рухається в напрямку z з рівномірною швидкістю Vz (м/с). Можна довести, що густина струму Jz на поперечному перерізі дроту дорівнює:
Jz = qv vz (1)
Якщо дріт виготовлений з ідеального провідника, то густина струму Js на його поверхні дорівнює:
Js = qs vz (2)
Де qs – густина поверхневого заряду. Якщо дріт дуже тонкий (в ідеалі радіус дорівнює 0), струм у дроті можна виразити як:
Iz = ql vz (3)
Де ql (кулон/метр) – це заряд на одиницю довжини.
Ми в основному розглядаємо тонкі дроти, і висновки стосуються трьох вищезазначених випадків. Якщо струм змінюється в часі, похідна формули (3) відносно часу має такий вигляд:
(4)
az – прискорення заряду. Якщо довжина дроту дорівнює l, (4) можна записати так:
(5)
Рівняння (5) – це основний зв'язок між струмом і зарядом, а також основний зв'язок електромагнітного випромінювання. Простіше кажучи, для виникнення випромінювання має бути змінний у часі струм або прискорення (або уповільнення) заряду. Зазвичай ми згадуємо струм у застосуваннях, пов'язаних з гармоніками в часі, а заряд найчастіше згадується в застосуваннях, пов'язаних з перехідними процесами. Щоб створити прискорення (або уповільнення) заряду, дріт має бути зігнутим, складеним та переривчастим. Коли заряд коливається в гармонічному русі в часі, він також створюватиме періодичне прискорення (або уповільнення) заряду або змінний у часі струм. Отже:
1) Якщо заряд не рухається, то струму не буде, а випромінювання не буде.
2) Якщо заряд рухається з постійною швидкістю:
а. Якщо дріт прямий і має нескінченну довжину, випромінювання відсутнє.
b. Якщо дріт зігнутий, складений або перерваний, як показано на рисунку 2, то відбувається випромінювання.
3) Якщо заряд коливається з часом, то заряд випромінюватиме, навіть якщо дріт прямий.
Рисунок 2
Якісне розуміння механізму випромінювання можна отримати, розглянувши імпульсне джерело, підключене до відкритого дроту, який можна заземлити через навантаження на його відкритому кінці, як показано на рисунку 2(d). Коли дріт спочатку піддається збудженню, заряди (вільні електрони) в дроті приводяться в рух лініями електричного поля, що генеруються джерелом. Оскільки заряди прискорюються на кінці джерела дроту та сповільнюються (негативне прискорення відносно початкового руху) при відбитті на його кінці, на його кінцях та вздовж решти дроту генерується поле випромінювання. Прискорення зарядів здійснюється зовнішнім джерелом сили, яке приводить заряди в рух і створює пов'язане з ним поле випромінювання. Уповільнення зарядів на кінцях дроту здійснюється внутрішніми силами, пов'язаними з індукованим полем, яке викликане накопиченням концентрованих зарядів на кінцях дроту. Внутрішні сили отримують енергію від накопичення заряду, коли його швидкість зменшується до нуля на кінцях дроту. Отже, прискорення зарядів через збудження електричного поля та уповільнення зарядів через розрив або плавну криву імпедансу дроту є механізмами генерації електромагнітного випромінювання. Хоча як густина струму (Jc), так і густина заряду (qv) є джерельними членами в рівняннях Максвелла, заряд вважається більш фундаментальною величиною, особливо для перехідних полів. Хоча це пояснення випромінювання в основному використовується для перехідних станів, його також можна використовувати для пояснення стаціонарного випромінювання.
Рекомендую кілька чудовихантенні виробивиготовленоRFMISO:
RM-ТКР406.4
RM-BCA082-4 (0,8–2 ГГц)
RM-SWA910-22 (9-10 ГГц)
2. Двопровідне випромінювання
Підключіть джерело напруги до двопровідної лінії передачі, підключеної до антени, як показано на рисунку 3(a). Подача напруги до двопровідної лінії генерує електричне поле між провідниками. Лінії електричного поля діють на вільні електрони (які легко відділяються від атомів), підключені до кожного провідника, і змушують їх рухатися. Рух зарядів генерує струм, який, у свою чергу, генерує магнітне поле.
Рисунок 3
Ми прийняли, що лінії електричного поля починаються з позитивних зарядів і закінчуються негативними зарядами. Звичайно, вони також можуть починатися з позитивних зарядів і закінчуватися на нескінченності; або починатися на нескінченності і закінчуватися негативними зарядами; або утворювати замкнуті петлі, які не починаються і не закінчуються жодними зарядами. Лінії магнітного поля завжди утворюють замкнуті петлі навколо провідників зі струмом, оскільки у фізиці немає магнітних зарядів. У деяких математичних формулах еквівалентні магнітні заряди та магнітні струми вводяться, щоб показати подвійність між рішеннями, що включають джерела енергії та магнітні джерела.
Лінії електричного поля, проведені між двома провідниками, допомагають показати розподіл заряду. Якщо припустити, що джерело напруги синусоїдальне, то очікується, що електричне поле між провідниками також буде синусоїдальним з періодом, що дорівнює періоду джерела. Відносна величина напруженості електричного поля представлена густиною ліній електричного поля, а стрілки вказують відносний напрямок (позитивний або негативний). Генерація змінних у часі електричних та магнітних полів між провідниками утворює електромагнітну хвилю, яка поширюється вздовж лінії передачі, як показано на рисунку 3(a). Електромагнітна хвиля потрапляє в антену із зарядом та відповідним струмом. Якщо видалити частину структури антени, як показано на рисунку 3(b), хвиля у вільному просторі може бути сформована шляхом «з'єднання» відкритих кінців ліній електричного поля (показаних пунктирними лініями). Хвиля у вільному просторі також є періодичною, але точка постійної фази P0 рухається назовні зі швидкістю світла та проходить відстань λ/2 (до P1) за півперіоду часу. Біля антени точка P0 з постійною фазою рухається швидше за швидкість світла та наближається до швидкості світла в точках, віддалених від антени. На рисунку 4 показано розподіл електричного поля антени λ/2 у вільному просторі при t = 0, t/8, t/4 та 3T/8.
Рисунок 4. Розподіл електричного поля антени λ/2 у вільному просторі при t = 0, t/8, t/4 та 3T/8
Невідомо, як спрямовані хвилі відокремлюються від антени та зрештою формуються для поширення у вільному просторі. Ми можемо порівняти спрямовані хвилі у вільному просторі з хвилями на воді, які можуть бути викликані каменем, упущеним у спокійну водойму, або іншими способами. Як тільки починається збурення у воді, генеруються хвилі на воді та починають поширюватися назовні. Навіть якщо збурення припиняється, хвилі не зупиняються, а продовжують поширюватися вперед. Якщо збурення зберігається, постійно генеруються нові хвилі, і поширення цих хвиль відстає від поширення інших хвиль.
Те саме стосується електромагнітних хвиль, що генеруються електричними збуреннями. Якщо початкове електричне збурення від джерела є короткочасним, електромагнітні хвилі, що генеруються, поширюються всередині лінії передачі, потім потрапляють в антену і, нарешті, випромінюються як хвилі у вільному просторі, навіть якщо збудження більше не присутнє (так само, як хвилі на воді та збурення, яке вони створили). Якщо електричне збурення є безперервним, електромагнітні хвилі існують безперервно та слідують за ними під час поширення, як показано на біконічній антені, зображеній на рисунку 5. Коли електромагнітні хвилі знаходяться всередині ліній передачі та антен, їх існування пов'язане з існуванням електричного заряду всередині провідника. Однак, коли хвилі випромінюються, вони утворюють замкнутий контур, і немає заряду для підтримки їхнього існування. Це призводить нас до висновку, що:
Збудження поля вимагає прискорення та уповільнення заряду, але підтримка поля не вимагає прискорення та уповільнення заряду.
Рисунок 5
3. Дипольне випромінювання
Ми спробуємо пояснити механізм, за допомогою якого лінії електричного поля відриваються від антени та утворюють хвилі у вільному просторі, і візьмемо дипольну антену як приклад. Хоча це спрощене пояснення, воно також дозволяє людям інтуїтивно побачити генерацію хвиль у вільному просторі. На рисунку 6(a) показано лінії електричного поля, що утворюються між двома плечима диполя, коли лінії електричного поля зміщуються назовні на λ/4 у першій чверті циклу. Для цього прикладу припустимо, що кількість утворених ліній електричного поля дорівнює 3. У наступній чверті циклу початкові три лінії електричного поля зміщуються ще на λ/4 (загалом на λ/2 від початкової точки), і щільність заряду на провіднику починає зменшуватися. Можна вважати, що вона утворюється внаслідок введення протилежних зарядів, які компенсують заряди на провіднику в кінці першої половини циклу. Лінії електричного поля, утворені протилежними зарядами, дорівнюють 3 і зміщуються на відстань λ/4, що представлено пунктирними лініями на рисунку 6(b).
Кінцевий результат полягає в тому, що на першій відстані λ/4 є три лінії електричного поля, спрямовані вниз, і така ж кількість ліній електричного поля, спрямованих вгору, на другій відстані λ/4. Оскільки на антені немає сумарного заряду, лінії електричного поля повинні бути змушені відокремитися від провідника та об'єднатися разом, утворюючи замкнутий контур. Це показано на рисунку 6(c). У другій половині відбувається той самий фізичний процес, але зверніть увагу, що напрямок протилежний. Після цього процес повторюється і триває нескінченно, утворюючи розподіл електричного поля, подібний до рисунка 4.
Рисунок 6
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 20 червня 2024 р.
