Когато става въпрос заантени, въпросът, който най-много вълнува 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 свободна пространствена вълна.
1. Излъчване с един проводник
Да приемем, че плътността на заряда, изразена като qv (Coulomb/m3), 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 еднаква 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 повърхностната плътност на заряда. 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 се отнасят за горните три случая. Ако токът се променя във времето, производната на формула (3) по отношение на времето е както следва:
（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, а също и основната връзка на електромагнитното излъчване. Просто казано, за да се произведе радиация, трябва да има променлив във времето ток или ускорение (или забавяне) на заряда. Обикновено споменаваме ток в хармонични във времето приложения, а зарядът най-често се споменава в преходни приложения. За да се получи ускорение (или забавяне) на заряда, жицата трябва да бъде огъната, сгъната и прекъсната. Когато зарядът осцилира в хармонично във времето движение, той също ще произведе периодично ускорение на заряда (или забавяне) или променлив във времето ток. Следователно:
1) Ако зарядът не се движи, няма да има ток и радиация.
2) Ако зарядът се движи с постоянна скорост:
а. Ако проводникът е прав и безкрайно дълъг, няма излъчване.
b. Ако жицата е огъната, прегъната или прекъсната, както е показано на фигура 2, има радиация.
3) Ако зарядът осцилира с течение на времето, зарядът ще се излъчва дори ако жицата е права.
Фигура 2
Качествено разбиране на механизма на излъчване може да се получи чрез разглеждане на импулсен източник, свързан към отворен проводник, който може да бъде заземен чрез товар в неговия отворен край, както е показано на фигура 2 (d). Когато жицата първоначално се зареди, зарядите (свободните електрони) в жицата се задвижват от линиите на електрическото поле, генерирани от източника. Тъй като зарядите се ускоряват в края на източника на проводника и се забавят (отрицателно ускорение спрямо първоначалното движение), когато се отразяват в неговия край, се генерира радиационно поле в неговите краища и по протежение на останалата част от проводника. Ускоряването на зарядите се осъществява от външен източник на сила, който привежда зарядите в движение и създава свързаното с тях радиационно поле. Забавянето на зарядите в краищата на жицата се осъществява от вътрешни сили, свързани с индуцираното поле, което се причинява от натрупването на концентрирани заряди в краищата на жицата. Вътрешните сили получават енергия от натрупването на заряд, тъй като скоростта му намалява до нула в краищата на жицата. Следователно ускоряването 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 източник на термини в уравненията на Максуел, зарядът се счита за по-фундаментална величина, особено за преходни полета. Въпреки че това обяснение на радиацията се използва главно за преходни състояния, то може да се използва и за обяснение на радиацията в стационарно състояние.
Препоръчайте няколко отличниантенни продуктипроизведени отRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4（0,8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. Двупроводно излъчване
Свържете източник на напрежение към двупроводна предавателна линия, свързана към антена, както е показано на фигура 3(a). 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
Приехме, че линиите на електрическото поле започват с положителни заряди и завършват с отрицателни заряди. Разбира се, те също могат да започнат с положителни заряди и да завършат в безкрайност; или започват от безкрайност и завършват с отрицателни заряди; или образуват затворени вериги, които нито започват, нито завършват с никакви такси. Линиите на магнитното поле винаги образуват затворени вериги около проводници с ток, тъй като 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 мощност 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 бъде синусоидално с период, равен на този на източника. Относителната големина на напрегнатостта на електрическото поле е представена чрез 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 протежение на предавателната линия, както е показано на фигура 3(a). Електромагнитната вълна влиза в антената със заряд и съответния ток. Ако премахнем част от структурата на антената, както е показано на Фигура 3(b), може да се образува вълна в свободно пространство чрез „свързване“ на отворените краища на линиите на електрическото поле (показани от пунктираните линии). Вълната на свободното пространство също е периодична, но точката с постоянна фаза P0 се движи навън със скоростта на светлината и изминава разстояние от 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 доближава до скоростта на светлината в точки, далеч от антената. Фигура 4 показва разпределението на електрическото поле в свободното пространство на λ/2 антената при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8.
Фигура 4 Разпределение на електрическото поле в свободното пространство на λ/2 антената при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8
Не е известно как направляваните вълни се отделят от антената и в крайна сметка се формират, за да се разпространяват в свободното пространство. Можем да сравним насочваните и свободните космически вълни с водните вълни, които могат да бъдат причинени от камък, пуснат в спокойна вода или по друг начин. След като започне смущението във водата, водните вълни се генерират и започват да се разпространяват навън. Дори ако смущението спре, вълните не спират, а продължават да се разпространяват напред. Ако смущението продължава, непрекъснато се генерират нови вълни и разпространението на тези вълни изостава от другите вълни.
Същото важи и за електромагнитните вълни, генерирани от електрически смущения. Ако първоначалното електрическо смущение от източника е краткотрайно, генерираните електромагнитни вълни се разпространяват вътре в предавателната линия, след това навлизат в антената и накрая излъчват като свободни пространствени вълни, въпреки че възбуждането вече не е налице (точно като водните вълни и безпокойството, което те създават). Ако електрическото смущение е непрекъснато, електромагнитните вълни съществуват непрекъснато и следват плътно зад тях по време на разпространение, както е показано на биконичната антена, показана на фигура 5. Когато електромагнитните вълни са вътре в предавателни линии и антени, тяхното съществуване е свързано със съществуването на електрически заряд вътре в проводника. Въпреки това, когато вълните се излъчват, те образуват затворен цикъл и няма такса за поддържане на тяхното съществуване. Това ни води до заключението, че:
Възбуждането на полето изисква ускоряване и забавяне на заряда, но поддържането на полето не изисква ускоряване и забавяне на заряда.
Фигура 5
3. Диполна радиация
Опитваме се да обясним механизма, чрез който линиите на електрическото поле се откъсват от антената и образуват вълни в свободното пространство, и вземаме за пример диполната антена. Въпреки че е опростено обяснение, то също така позволява на хората интуитивно да видят генерирането на вълни в свободното пространство. Фигура 6(a) показва линиите на електрическото поле, генерирани между двете рамена на дипола, когато линиите на електрическото поле се движат навън с λ∕4 през първата четвърт от цикъла. За този пример нека приемем, че броят на формираните линии на електрическо поле е 3. В следващата четвърт от цикъла, първоначалните три линии на електрическо 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 чрез въвеждането на противоположни заряди, които анулират зарядите на 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 от пунктираните линии на Фигура 6(b).
Крайният резултат е, че има три низходящи линии на електрическо поле в първото разстояние λ/4 и същия брой нагоре линии на електрическо поле във второто разстояние λ/4. Тъй като няма нетен заряд на антената, линиите на електрическото поле трябва да бъдат принудени да се отделят от проводника и да се комбинират заедно, 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
