Когда речь заходит оантенныНаибольший интерес у людей вызывает вопрос: «Как именно достигается излучение?» Как электромагнитное поле, генерируемое источником сигнала, распространяется по линии передачи и внутри антенны, и, наконец, «отделяется» от антенны, образуя волну в свободном пространстве?
1. Излучение одного провода
Предположим, что плотность заряда, выраженная как qv (Кулон/м³), равномерно распределена в круглом проводе с площадью поперечного сечения а и объемом V, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1
Полный заряд Q в объеме V движется в направлении оси z с постоянной скоростью Vz (м/с). Можно доказать, что плотность тока Jz на поперечном сечении проволоки равна:
Jz = qv vz （1）
Если проводник изготовлен из идеального проводника, то плотность тока Js на поверхности провода равна:
Js = qs vz （2）
Где qs — плотность поверхностного заряда. Если провод очень тонкий (в идеале радиус равен 0), ток в проводе можно выразить следующим образом:
Iz = ql vz (3)
Где ql (кулон/метр) — заряд на единицу длины.
Нас в основном интересуют тонкие провода, и выводы применимы к трем вышеуказанным случаям. Если ток изменяется во времени, то производная формулы (3) по времени имеет следующий вид:
(4)
az — ускорение заряда. Если длина провода равна l, то (4) можно записать следующим образом:
(5)
Уравнение (5) — это основная связь между током и зарядом, а также основная связь электромагнитного излучения. Проще говоря, для получения излучения необходим изменяющийся во времени ток или ускорение (или замедление) заряда. Обычно мы говорим о токе в приложениях, связанных с гармоническими процессами во времени, а о заряде чаще всего — в приложениях, связанных с переходными процессами. Для того чтобы вызвать ускорение (или замедление) заряда, провод должен быть согнут, сложен и прерывист. Когда заряд колеблется в гармоническом во времени движении, он также будет вызывать периодическое ускорение (или замедление) заряда или изменяющийся во времени ток. Следовательно:
1) Если заряд не движется, то и тока, и излучения не будет.
2) Если заряд движется с постоянной скоростью:
а. Если провод прямой и бесконечной длины, излучение отсутствует.
б. Если провод изогнут, сложен или имеет прерывистую структуру, как показано на рисунке 2, возникает излучение.
3) Если заряд колеблется со временем, он будет излучать, даже если провод прямой.
Рисунок 2
Качественное понимание механизма излучения можно получить, рассмотрев импульсный источник, подключенный к открытому проводу, который может быть заземлен через нагрузку на его открытом конце, как показано на рисунке 2(d). Когда провод первоначально запитывается, заряды (свободные электроны) в проводе приводятся в движение линиями электрического поля, создаваемыми источником. По мере того, как заряды ускоряются на конце провода, обращенном к источнику, и замедляются (отрицательное ускорение относительно первоначального движения) при отражении от его конца, на концах провода и вдоль остальной части провода генерируется поле излучения. Ускорение зарядов осуществляется внешним источником силы, который приводит заряды в движение и создает соответствующее поле излучения. Замедление зарядов на концах провода осуществляется внутренними силами, связанными с индуцированным полем, которое вызвано накоплением концентрированных зарядов на концах провода. Внутренние силы получают энергию от накопления заряда, поскольку его скорость уменьшается до нуля на концах провода. Таким образом, ускорение зарядов вследствие возбуждения электрическим полем и замедление зарядов вследствие разрыва или плавной кривой импеданса провода являются механизмами генерации электромагнитного излучения. Хотя плотность тока (Jc) и плотность заряда (qv) являются источниками в уравнениях Максвелла, заряд считается более фундаментальной величиной, особенно для переходных полей. Хотя это объяснение излучения в основном используется для переходных состояний, оно также может быть использовано для объяснения стационарного излучения.
Рекомендую несколько отличных вариантов.антенная продукцияпроизведено компаниейРФМИСО:
RM-ТКР406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 ГГц)
RM-SWA910-22 (9-10 ГГц)
2. Двухпроводное излучение
Подключите источник напряжения к двухпроводной линии передачи, соединенной с антенной, как показано на рисунке 3(а). Приложение напряжения к двухпроводной линии создает электрическое поле между проводниками. Линии электрического поля воздействуют на свободные электроны (легко отделяемые от атомов), соединенные с каждым проводником, и заставляют их двигаться. Движение зарядов генерирует ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле.
Рисунок 3
Мы приняли тот факт, что линии электрического поля начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Конечно, они также могут начинаться с положительных зарядов и заканчиваться на бесконечности; или начинаться на бесконечности и заканчиваться отрицательными зарядами; или образовывать замкнутые петли, которые не начинаются и не заканчиваются никакими зарядами. Линии магнитного поля всегда образуют замкнутые петли вокруг проводников, по которым протекает ток, поскольку в физике нет магнитных зарядов. В некоторых математических формулах вводятся эквивалентные магнитные заряды и магнитные токи, чтобы показать двойственность между решениями, включающими источники мощности и магнитные источники.
Линии электрического поля, проведенные между двумя проводниками, помогают показать распределение заряда. Если предположить, что источник напряжения имеет синусоидальную форму, то можно ожидать, что электрическое поле между проводниками также будет синусоидальным с периодом, равным периоду источника. Относительная величина напряженности электрического поля представлена плотностью линий электрического поля, а стрелки указывают относительное направление (положительное или отрицательное). Генерация изменяющихся во времени электрических и магнитных полей между проводниками образует электромагнитную волну, которая распространяется вдоль линии передачи, как показано на рисунке 3(а). Электромагнитная волна входит в антенну с зарядом и соответствующим током. Если удалить часть конструкции антенны, как показано на рисунке 3(б), можно сформировать волну в свободном пространстве, «соединив» открытые концы линий электрического поля (показаны пунктирными линиями). Волна в свободном пространстве также периодична, но точка постоянной фазы P0 перемещается наружу со скоростью света и проходит расстояние λ/2 (до P1) за половину периода времени. Вблизи антенны точка постоянной фазы P0 движется быстрее скорости света и приближается к скорости света в точках, удаленных от антенны. На рисунке 4 показано распределение электрического поля в свободном пространстве антенны λ/2 при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8.
Рисунок 4. Распределение электрического поля в свободном пространстве антенны λ/2 при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8.
Неизвестно, как направленные волны отделяются от антенны и в конечном итоге формируются для распространения в свободном пространстве. Мы можем сравнить направленные волны и волны в свободном пространстве с волнами на воде, которые могут возникать, например, от брошенного в спокойную воду камня или другими способами. Как только в воде начинается возмущение, генерируются волны, которые начинают распространяться наружу. Даже если возмущение прекращается, волны не останавливаются, а продолжают распространяться вперед. Если возмущение сохраняется, постоянно генерируются новые волны, и распространение этих волн отстает от распространения других волн.
То же самое справедливо и для электромагнитных волн, генерируемых электрическими возмущениями. Если начальное электрическое возмущение от источника кратковременно, генерируемые электромагнитные волны распространяются внутри линии передачи, затем попадают в антенну и, наконец, излучаются в виде волн свободного пространства, даже если возбуждение больше не присутствует (подобно волнам на воде и создаваемым ими возмущениям). Если электрическое возмущение непрерывно, электромагнитные волны существуют непрерывно и следуют за ними во время распространения, как показано на биконической антенне на рисунке 5. Когда электромагнитные волны находятся внутри линий передачи и антенн, их существование связано с наличием электрического заряда внутри проводника. Однако, когда волны излучаются, они образуют замкнутый контур, и нет заряда, поддерживающего их существование. Это приводит нас к выводу, что:
Для возбуждения поля необходимы ускорение и замедление заряда, тогда как для поддержания поля ускорение и замедление заряда не требуются.
Рисунок 5
3. Дипольное излучение
Мы попытаемся объяснить механизм, посредством которого линии электрического поля отрываются от антенны и образуют волны в свободном пространстве, и в качестве примера возьмем дипольную антенну. Хотя это упрощенное объяснение, оно также позволяет людям интуитивно увидеть генерацию волн в свободном пространстве. На рисунке 6(а) показаны линии электрического поля, генерируемые между двумя плечами диполя, когда линии электрического поля смещаются наружу на λ/4 в первой четверти цикла. Для этого примера предположим, что количество сформированных линий электрического поля равно 3. В следующей четверти цикла исходные три линии электрического поля смещаются еще на λ/4 (в общей сложности на λ/2 от начальной точки), и плотность заряда на проводнике начинает уменьшаться. Можно считать, что это происходит за счет введения противоположных зарядов, которые компенсируют заряды на проводнике в конце первой половины цикла. Линии электрического поля, создаваемые противоположными зарядами, равны 3 и перемещаются на расстояние λ/4, что показано пунктирными линиями на рисунке 6(b).
В результате на первом расстоянии λ/4 имеется три направленные вниз линии электрического поля, а на втором расстоянии λ/4 — такое же количество направленных вверх линий электрического поля. Поскольку на антенне нет суммарного заряда, линии электрического поля должны быть вынуждены отделиться от проводника и объединиться, образуя замкнутый контур. Это показано на рисунке 6(c). Во второй половине процесса повторяется тот же физический процесс, но направление противоположное. После этого процесс повторяется и продолжается бесконечно, образуя распределение электрического поля, аналогичное рисунку 4.
Рисунок 6
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 20 июня 2024 г.
