Keď príde naantény, otázka, ktorá ľudí najviac znepokojuje, je „Ako sa vlastne dosahuje žiarenie?“ Ako sa elektromagnetické pole generované zdrojom signálu šíri prenosovým vedením a vo vnútri antény a nakoniec sa „oddelí“ od antény a vytvorí vlnu vo voľnom priestore.
1. Žiarenie jedným vodičom
Predpokladajme, že hustota náboja, vyjadrená ako qv (Coulomb/m3), je rovnomerne rozložená v kruhovom drôte s prierezom a a objemom V, ako je znázornené na obrázku 1.
Obrázok 1
Celkový náboj Q v objeme V sa pohybuje v smere osi z rovnomernou rýchlosťou Vz (m/s). Dá sa dokázať, že hustota prúdu Jz na priereze vodiča je:
Jz = qv vz （1）
Ak je drôt vyrobený z ideálneho vodiča, hustota prúdu Js na povrchu drôtu je:
Js = qs vz (2)
Kde qs je hustota povrchového náboja. Ak je drôt veľmi tenký (ideálne s polomerom 0), prúd v drôte možno vyjadriť ako:
Iz = ql vz (3)
Kde ql (coulomb/meter) je náboj na jednotku dĺžky.
Zaoberáme sa hlavne tenkými drôtmi a závery platia pre vyššie uvedené tri prípady. Ak je prúd časovo premenný, derivácia vzorca (3) vzhľadom na čas je nasledovná:
(4)
az je zrýchlenie náboja. Ak je dĺžka vodiča l, (4) možno zapísať takto:
(5)
Rovnica (5) predstavuje základný vzťah medzi prúdom a nábojom a tiež základný vzťah elektromagnetického žiarenia. Jednoducho povedané, na vytvorenie žiarenia musí existovať časovo premenlivý prúd alebo zrýchlenie (alebo spomalenie) náboja. Prúd zvyčajne spomíname v časovo harmonických aplikáciách a náboj sa najčastejšie spomína v prechodových aplikáciách. Aby sa vyvolalo zrýchlenie (alebo spomalenie) náboja, musí byť drôt ohnutý, zložený a nespojitý. Keď náboj osciluje v časovo harmonickom pohybe, bude tiež vytvárať periodické zrýchlenie (alebo spomalenie) náboja alebo časovo premenlivý prúd. Preto:
1) Ak sa náboj nepohybuje, nebude existovať žiadny prúd ani žiadne žiarenie.
2) Ak sa náboj pohybuje konštantnou rýchlosťou:
a. Ak je vodič rovný a má nekonečnú dĺžku, nedochádza k žiadnemu žiareniu.
b. Ak je drôt ohnutý, preložený alebo prerušovaný, ako je znázornené na obrázku 2, dochádza k žiareniu.
3) Ak náboj v priebehu času osciluje, náboj bude vyžarovať, aj keď je vodič rovný.
Obrázok 2
Kvalitatívne pochopenie mechanizmu žiarenia možno získať pohľadom na pulzný zdroj pripojený k otvorenému vodiču, ktorý môže byť uzemnený cez záťaž na jeho otvorenom konci, ako je znázornené na obrázku 2(d). Keď je vodič spočiatku napájaný energiou, náboje (voľné elektróny) v vodiči sa uvedú do pohybu siločiarami elektrického poľa generovanými zdrojom. Keď sa náboje zrýchľujú na zdrojovom konci vodiča a spomaľujú (záporné zrýchlenie vzhľadom na pôvodný pohyb) pri odraze na jeho konci, na jeho koncoch a pozdĺž zvyšku vodiča sa generuje radiačné pole. Zrýchlenie nábojov sa dosahuje vonkajším zdrojom sily, ktorý uvádza náboje do pohybu a vytvára súvisiace radiačné pole. Spomalenie nábojov na koncoch vodiča sa dosahuje vnútornými silami spojenými s indukovaným poľom, ktoré je spôsobené akumuláciou koncentrovaných nábojov na koncoch vodiča. Vnútorné sily získavajú energiu z akumulácie náboja, keď jeho rýchlosť klesá na nulu na koncoch vodiča. Preto sú zrýchlenie nábojov v dôsledku budenia elektrického poľa a spomalenie nábojov v dôsledku diskontinuity alebo hladkej krivky impedancie vodiča mechanizmami generovania elektromagnetického žiarenia. Hoci hustota prúdu (Jc) aj hustota náboja (qv) sú zdrojovými členmi v Maxwellových rovniciach, náboj sa považuje za základnejšiu veličinu, najmä pre prechodné polia. Hoci sa toto vysvetlenie žiarenia používa hlavne pre prechodné stavy, možno ho použiť aj na vysvetlenie žiarenia v ustálenom stave.
Odporúčam niekoľko vynikajúcichanténne produktyvyrobené spoločnosťouRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8 – 2 GHz)
RM-SWA910-22 (9 – 10 GHz)
2. Dvojvodičové žiarenie
Pripojte zdroj napätia k dvojvodičovému prenosovému vedeniu pripojenému k anténe, ako je znázornené na obrázku 3(a). Privedením napätia na dvojvodičové vedenie sa medzi vodičmi vytvorí elektrické pole. Čiary elektrického poľa pôsobia na voľné elektróny (ľahko oddeliteľné od atómov) pripojené ku každému vodiču a nútia ich pohybovať sa. Pohyb nábojov generuje prúd, ktorý následne generuje magnetické pole.
Obrázok 3
Prijali sme, že siločiary elektrického poľa začínajú kladnými nábojmi a končia zápornými nábojmi. Samozrejme, môžu tiež začínať kladnými nábojmi a končiť v nekonečne; alebo začínať v nekonečne a končiť zápornými nábojmi; alebo tvoriť uzavreté slučky, ktoré ani nezačínajú, ani nekončia žiadnymi nábojmi. Siločiary magnetického poľa vždy tvoria uzavreté slučky okolo vodičov nesúcich prúd, pretože vo fyzike neexistujú žiadne magnetické náboje. V niektorých matematických vzorcoch sa zavádzajú ekvivalentné magnetické náboje a magnetické prúdy, aby sa ukázala dualita medzi riešeniami zahŕňajúcimi energiu a magnetické zdroje.
Čiary elektrického poľa nakreslené medzi dvoma vodičmi pomáhajú zobraziť rozloženie náboja. Ak predpokladáme, že zdroj napätia je sínusový, očakávame, že elektrické pole medzi vodičmi bude tiež sínusové s periódou rovnou perióde zdroja. Relatívna veľkosť intenzity elektrického poľa je znázornená hustotou siločiar elektrického poľa a šípky označujú relatívny smer (kladný alebo záporný). Generovanie časovo premenných elektrických a magnetických polí medzi vodičmi vytvára elektromagnetickú vlnu, ktorá sa šíri pozdĺž prenosového vedenia, ako je znázornené na obrázku 3(a). Elektromagnetická vlna vstupuje do antény s nábojom a zodpovedajúcim prúdom. Ak odstránime časť štruktúry antény, ako je znázornené na obrázku 3(b), vlna vo voľnom priestore môže vzniknúť „prepojením“ otvorených koncov siločiar elektrického poľa (znázornených bodkovanými čiarami). Vlna vo voľnom priestore je tiež periodická, ale bod s konštantnou fázou P0 sa pohybuje smerom von rýchlosťou svetla a prejde vzdialenosť λ/2 (do P1) za polovicu časového obdobia. V blízkosti antény sa bod P0 s konštantnou fázou pohybuje rýchlejšie ako rýchlosť svetla a približuje sa rýchlosti svetla v bodoch ďaleko od antény. Obrázok 4 znázorňuje rozloženie elektrického poľa antény λ/2 vo voľnom priestore pri t = 0, t/8, t/4 a 3T/8.
Obrázok 4 Rozloženie elektrického poľa antény λ/2 vo voľnom priestore pri t = 0, t/8, t/4 a 3T/8
Nie je známe, ako sa vedené vlny oddeľujú od antény a nakoniec sa formujú tak, aby sa šírili vo voľnom priestore. Vedené vlny a vlny vo voľnom priestore môžeme prirovnať k vodným vlnám, ktoré môžu byť spôsobené kameňom spadnutým do pokojnej vodnej plochy alebo inými spôsobmi. Akonáhle sa začne rušenie vo vode, generujú sa vodné vlny a začnú sa šíriť smerom von. Aj keď rušenie prestane, vlny sa nezastavia, ale šíria sa ďalej. Ak rušenie pretrváva, neustále sa generujú nové vlny a šírenie týchto vĺn zaostáva za ostatnými vlnami.
To isté platí pre elektromagnetické vlny generované elektrickým rušením. Ak je počiatočné elektrické rušenie zo zdroja krátke, generované elektromagnetické vlny sa šíria vo vnútri prenosového vedenia, potom vstupujú do antény a nakoniec vyžarujú ako vlny vo voľnom priestore, aj keď excitácia už nie je prítomná (rovnako ako vodné vlny a rušenie, ktoré spôsobili). Ak je elektrické rušenie kontinuálne, elektromagnetické vlny existujú nepretržite a počas šírenia ich tesne nasledujú, ako je znázornené na bikónickej anténe na obrázku 5. Keď sú elektromagnetické vlny vo vnútri prenosových vedení a antén, ich existencia súvisí s existenciou elektrického náboja vo vnútri vodiča. Keď sú však vlny vyžarované, tvoria uzavretú slučku a neexistuje žiadny náboj, ktorý by udržiaval ich existenciu. To nás vedie k záveru, že:
Budenie poľa vyžaduje zrýchlenie a spomalenie náboja, ale udržiavanie poľa nevyžaduje zrýchlenie a spomalenie náboja.
Obrázok 5
3. Dipólové žiarenie
Pokúsime sa vysvetliť mechanizmus, ktorým sa siločiary elektrického poľa oddeľujú od antény a vytvárajú vlny vo voľnom priestore, a ako príklad si vezmeme dipólovú anténu. Aj keď ide o zjednodušené vysvetlenie, umožňuje ľuďom intuitívne vidieť generovanie vĺn vo voľnom priestore. Obrázok 6(a) zobrazuje siločiary elektrického poľa generované medzi dvoma ramenami dipólu, keď sa siločiary elektrického poľa v prvej štvrtine cyklu posunú smerom von o λ∕4. V tomto príklade predpokladajme, že počet vytvorených siločiar elektrických poľa je 3. V ďalšej štvrtine cyklu sa pôvodné tri siločiary elektrického poľa posunú o ďalšie λ∕4 (celkovo o λ∕2 od východiskového bodu) a hustota náboja na vodiči sa začne znižovať. Dá sa predpokladať, že vznikla zavedením opačných nábojov, ktoré sa na konci prvej polovice cyklu vyrušia. Siločiary elektrického poľa generované opačnými nábojmi sú 3 a pohybujú sa o vzdialenosť λ∕4, ktorá je znázornená bodkovanými čiarami na obrázku 6(b).
Konečným výsledkom je, že v prvej vzdialenosti λ/4 sú tri siločiary elektrického poľa smerujúce nadol a v druhej vzdialenosti λ/4 rovnaký počet siločiar elektrického poľa smerujúcich nahor. Keďže na anténe nie je žiadny celkový náboj, siločiary elektrického poľa musia byť nútené oddeliť sa od vodiča a spojiť sa, aby vytvorili uzavretú slučku. Toto je znázornené na obrázku 6(c). V druhej polovici sa sleduje rovnaký fyzikálny proces, ale všimnite si, že smer je opačný. Potom sa proces opakuje a pokračuje donekonečna, čím sa vytvára rozloženie elektrického poľa podobné obrázku 4.
Obrázok 6
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte stránku:
Čas uverejnenia: 20. júna 2024
