Когато става въпрос заантени, въпросът, който най-много тревожи хората, е „Как всъщност се постига радиация?“ Как електромагнитното поле, генерирано от източника на сигнал, се разпространява през предавателната линия и вътре в антената и накрая се „отделя“ от антената, за да образува вълна в свободно пространство.
1. Едножилно излъчване
Да приемем, че плътността на заряда, изразена като qv (Кулон/м3), е равномерно разпределена в кръгъл проводник с площ на напречното сечение a и обем V, както е показано на Фигура 1.
Фигура 1
Общият заряд Q в обем V се движи в посока z с равномерна скорост Vz (m/s). Може да се докаже, че плътността на тока Jz върху напречното сечение на проводника е:
Jz = qv vz (1)
Ако проводникът е направен от идеален проводник, плътността на тока Js върху повърхността на проводника е:
Js = qs vz (2)
Където qs е плътността на повърхностния заряд. Ако проводникът е много тънък (в идеалния случай радиусът е 0), токът в проводника може да се изрази като:
Iz = ql vz (3)
Където ql (кулон/метър) е зарядът на единица дължина.
Ние се занимаваме главно с тънки проводници и заключенията важат за горните три случая. Ако токът е променлив във времето, производната на формула (3) спрямо времето е следната:
(4)
az е ускорението на заряда. Ако дължината на проводника е l, (4) може да се запише, както следва:
(5)
Уравнение (5) е основната връзка между тока и заряда, както и основната връзка на електромагнитното излъчване. Казано по-просто, за да се произведе излъчване, трябва да има променлив във времето ток или ускорение (или забавяне) на заряда. Обикновено споменаваме ток в приложения с хармонично време, а зарядът най-често се споменава в приложения с преходни процеси. За да се произведе ускорение (или забавяне) на заряда, проводникът трябва да бъде огънат, сгънат и прекъснат. Когато зарядът осцилира във хармонично във времето движение, той също ще произведе периодично ускорение (или забавяне) на заряда или променлив във времето ток. Следователно:
1) Ако зарядът не се движи, няма да има ток и няма да има радиация.
2) Ако зарядът се движи с постоянна скорост:
а. Ако проводникът е прав и с безкрайна дължина, няма излъчване.
б. Ако проводникът е огънат, сгънат или прекъснат, както е показано на Фигура 2, има радиация.
3) Ако зарядът осцилира с течение на времето, той ще излъчва, дори ако проводникът е прав.
Фигура 2
Качествено разбиране на механизма на излъчване може да се получи, като се разгледа импулсен източник, свързан към отворен проводник, който може да бъде заземен чрез товар в отворения си край, както е показано на Фигура 2(d). Когато проводникът първоначално се захранва, зарядите (свободните електрони) в него се задвижват от линиите на електрическото поле, генерирани от източника. Тъй като зарядите се ускоряват в края на проводника, където е източникът, и се забавят (отрицателно ускорение спрямо първоначалното движение), когато се отразят в неговия край, в краищата му и по останалата част от проводника се генерира радиационно поле. Ускорението на зарядите се осъществява от външен източник на сила, който ги задвижва и създава свързаното с него радиационно поле. Забавянето на зарядите в краищата на проводника се осъществява от вътрешни сили, свързани с индуцираното поле, причинено от натрупването на концентрирани заряди в краищата на проводника. Вътрешните сили получават енергия от натрупването на заряд, когато скоростта му намалява до нула в краищата на проводника. Следователно, ускорението на зарядите поради възбуждането на електрическото поле и забавянето на зарядите поради прекъсването или гладката крива на импеданса на проводника са механизмите за генериране на електромагнитно излъчване. Въпреки че както плътността на тока (Jc), така и плътността на заряда (qv) са изходни членове в уравненията на Максуел, зарядът се счита за по-фундаментална величина, особено за преходни полета. Въпреки че това обяснение на излъчването се използва главно за преходни състояния, то може да се използва и за обяснение на стационарно излъчване.
Препоръчвам няколко отличниантенни продуктипроизведено отRFMISO:
RM-ТКР406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Двупроводно излъчване
Свържете източник на напрежение към двупроводна преносна линия, свързана с антена, както е показано на Фигура 3(а). Прилагането на напрежение към двупроводната линия генерира електрическо поле между проводниците. Линиите на електрическото поле действат върху свободните електрони (лесно отделящи се от атомите), свързани с всеки проводник, и ги принуждават да се движат. Движението на зарядите генерира ток, който от своя страна генерира магнитно поле.
Фигура 3
Приели сме, че линиите на електрическото поле започват с положителни заряди и завършват с отрицателни заряди. Разбира се, те могат също да започват с положителни заряди и да завършват в безкрайност; или да започват в безкрайност и да завършват с отрицателни заряди; или да образуват затворени контури, които нито започват, нито завършват с никакви заряди. Линиите на магнитното поле винаги образуват затворени контури около проводници, носещи ток, защото във физиката няма магнитни заряди. В някои математически формули се въвеждат еквивалентни магнитни заряди и магнитни токове, за да се покаже двойствеността между решения, включващи енергия и магнитни източници.
Линиите на електрическото поле, начертани между два проводника, помагат да се покаже разпределението на заряда. Ако приемем, че източникът на напрежение е синусоидален, очакваме електрическото поле между проводниците също да е синусоидално с период, равен на този на източника. Относителната величина на силата на електрическото поле е представена от плътността на линиите на електрическото поле, а стрелките показват относителната посока (положителна или отрицателна). Генерирането на променливи във времето електрически и магнитни полета между проводниците образува електромагнитна вълна, която се разпространява по преносната линия, както е показано на Фигура 3(а). Електромагнитната вълна навлиза в антената със заряда и съответния ток. Ако премахнем част от структурата на антената, както е показано на Фигура 3(б), може да се образува вълна в свободно пространство чрез „свързване“ на отворените краища на линиите на електрическото поле (показани с пунктирани линии). Вълната в свободно пространство също е периодична, но точката с постоянна фаза P0 се движи навън със скоростта на светлината и изминава разстояние λ/2 (до P1) за половин период от време. Близо до антената, точката с постоянна фаза P0 се движи по-бързо от скоростта на светлината и се приближава до скоростта на светлината в точки, далеч от антената. Фигура 4 показва разпределението на електрическото поле в свободното пространство на антената λ∕2 при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8.
Фигура 4 Разпределение на електрическото поле в свободното пространство на антената λ∕2 при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8
Не е известно как насочените вълни се отделят от антената и евентуално се формират, за да се разпространяват в свободното пространство. Можем да сравним насочените и свободнокосмическите вълни с водните вълни, които могат да бъдат причинени от камък, пуснат в спокоен воден басейн, или по други начини. След като започне смущението във водата, се генерират водни вълни, които започват да се разпространяват навън. Дори ако смущението спре, вълните не спират, а продължават да се разпространяват напред. Ако смущението продължи, постоянно се генерират нови вълни, а разпространението на тези вълни изостава от останалите вълни.
Същото важи и за електромагнитните вълни, генерирани от електрически смущения. Ако първоначалното електрическо смущение от източника е с кратка продължителност, генерираните електромагнитни вълни се разпространяват вътре в предавателната линия, след това навлизат в антената и накрая се излъчват като вълни в свободното пространство, въпреки че възбуждането вече не е налице (точно както водните вълни и смущението, което те създават). Ако електрическото смущение е непрекъснато, електромагнитните вълни съществуват непрекъснато и следват плътно след тях по време на разпространението, както е показано на биконичната антена, показана на Фигура 5. Когато електромагнитните вълни са вътре в предавателните линии и антените, тяхното съществуване е свързано с наличието на електрически заряд вътре в проводника. Когато обаче вълните се излъчват, те образуват затворен контур и няма заряд, който да поддържа съществуването им. Това ни води до заключението, че:
Възбуждането на полето изисква ускорение и забавяне на заряда, но поддържането на полето не изисква ускорение и забавяне на заряда.
Фигура 5
3. Диполно излъчване
Опитваме се да обясним механизма, чрез който линиите на електрическото поле се отделят от антената и образуват вълни в свободно пространство, като вземаме диполната антена като пример. Въпреки че това е опростено обяснение, то също така позволява на хората интуитивно да видят генерирането на вълни в свободно пространство. Фигура 6(а) показва линиите на електрическото поле, генерирани между двете рамена на дипола, когато линиите на електрическото поле се преместят навън с λ∕4 през първата четвърт на цикъла. За този пример нека приемем, че броят на образуваните линии на електрическото поле е 3. През следващата четвърт на цикъла първоначалните три линии на електрическото поле се преместват с още λ∕4 (общо λ∕2 от началната точка) и плътността на заряда върху проводника започва да намалява. Може да се счита, че се образува от въвеждането на противоположни заряди, които компенсират зарядите върху проводника в края на първата половина на цикъла. Линиите на електрическото поле, генерирани от противоположните заряди, са 3 и се преместват на разстояние λ∕4, което е представено с пунктираните линии на Фигура 6(б).
Крайният резултат е, че има три низходящи линии на електрическото поле в първото разстояние λ∕4 и същия брой възходящи линии на електрическото поле във второто разстояние λ∕4. Тъй като няма сумарен заряд върху антената, линиите на електрическото поле трябва да бъдат принудени да се отделят от проводника и да се комбинират, за да образуват затворен контур. Това е показано на Фигура 6(c). Във втората половина се следва същият физически процес, но имайте предвид, че посоката е обратна. След това процесът се повтаря и продължава безкрайно, образувайки разпределение на електрическото поле, подобно на Фигура 4.
Фигура 6
За да научите повече за антените, моля, посетете:
Време на публикуване: 20 юни 2024 г.
