Когда дело доходит доантенны, вопрос, который больше всего волнует людей, - «Как на самом деле достигается излучение?» Каким образом электромагнитное поле, создаваемое источником сигнала, распространяется по линии передачи и внутри антенны и, наконец, «отделяется» от антенны, образуя волну свободного пространства.
1. Излучение одиночного провода
Предположим, что плотность заряда, выраженная как qv (Кулонов/м3), равномерно распределена в круглом проводе с площадью поперечного сечения a и объемом V, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1
Суммарный заряд Q в объеме V движется в направлении z с равномерной скоростью Vz (м/с). Можно доказать, что плотность тока Jz на поперечном сечении провода равна:
Jz = qv vz (1)
Если провод изготовлен из идеального проводника, то плотность тока Js на поверхности провода равна:
Js = qs vz (2)
Где qs — поверхностная плотность заряда. Если провод очень тонкий (в идеале радиус равен 0), ток в проводе можно выразить как:
Iz = ql vz (3)
Где ql (кулон/метр) — заряд на единицу длины.
Мы в основном имеем дело с тонкими проводами, и выводы применимы к трем вышеупомянутым случаям. Если ток изменяется во времени, производная формулы (3) по времени имеет следующий вид:
（4）
az — ускорение заряда. Если длина провода l, (4) можно записать следующим образом:
（5）
Уравнение (5) является основным соотношением между током и зарядом, а также основным соотношением электромагнитного излучения. Проще говоря, для создания излучения должен быть изменяющийся во времени ток или ускорение (или замедление) заряда. Мы обычно упоминаем ток в гармонических по времени приложениях, а заряд чаще всего упоминается в переходных приложениях. Чтобы создать ускорение (или замедление) заряда, провод должен быть изогнут, сложен и прерывист. Когда заряд колеблется в гармоническом по времени движении, он также будет создавать периодическое ускорение (или замедление) заряда или изменяющийся во времени ток. Следовательно:
1) Если заряд не движется, то не будет ни тока, ни излучения.
2) Если заряд движется с постоянной скоростью:
а) Если провод прямой и бесконечной длины, то излучения нет.
б) Если провод изогнут, сложен или имеет разрывы, как показано на рисунке 2, то излучение имеет место.
3) Если заряд колеблется с течением времени, то он будет излучаться, даже если провод прямой.
Рисунок 2
Качественное понимание механизма излучения можно получить, посмотрев на импульсный источник, подключенный к открытому проводу, который может быть заземлен через нагрузку на его открытом конце, как показано на рисунке 2(d). Когда провод изначально находится под напряжением, заряды (свободные электроны) в проводе приводятся в движение линиями электрического поля, генерируемыми источником. Поскольку заряды ускоряются на исходном конце провода и замедляются (отрицательное ускорение относительно первоначального движения) при отражении от его конца, на его концах и вдоль остальной части провода генерируется поле излучения. Ускорение зарядов осуществляется внешним источником силы, который приводит заряды в движение и создает связанное с ними 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 по мере того, как его скорость уменьшается до нуля на концах провода. Таким образом, ускорение зарядов из-за возбуждения электрического поля и замедление зарядов из-за разрыва или плавной кривой сопротивления провода являются механизмами генерации электромагнитного излучения. Хотя как плотность тока (Jc), так и плотность заряда (qv) являются исходными членами в уравнениях Максвелла, заряд считается более фундаментальной величиной, особенно для переходных полей. Хотя это объяснение излучения в основном используется для переходных состояний, его также можно использовать для объяснения стационарного излучения.
Рекомендую несколько отличныхантенные изделияпроизведеноРФМИСО:
RM-ТКР406.4
RM-BCA082-4（0,8-2 ГГц)
RM-SWA910-22(9-10ГГц)
2. Двухпроводное излучение
Подключите источник напряжения к двухпроводной линии передачи, подключенной к антенне, как показано на рисунке 3(a). Приложение напряжения к двухпроводной линии создает электрическое поле между проводниками. Линии электрического поля действуют на свободные электроны (легко отделяемые от атомов), подключенные к каждому проводнику, и заставляют их двигаться. Движение зарядов создает ток, который в свою очередь создает магнитное поле.
Рисунок 3
Мы приняли, 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 с током, потому что в физике нет магнитных зарядов. В некоторых математических формулах эквивалентные магнитные заряды и магнитные токи вводятся, чтобы показать двойственность между решениями, включающими источники мощности и магнитного поля.
Линии электрического поля, проведенные между двумя проводниками, помогают показать распределение заряда. Если мы предположим, что источник напряжения синусоидальный, мы ожидаем, 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(a). Электромагнитная волна входит в антенну с зарядом и соответствующим током. Если мы удалим часть конструкции антенны, как показано на рисунке 3(b), волна свободного пространства может быть сформирована путем «соединения» открытых концов линий электрического поля (показано пунктирными линиями). Волна свободного пространства также периодична, но точка постоянной фазы P0 движется 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 направляемые волны отделяются от антенны и в конечном итоге формируются для распространения в свободном пространстве. Мы можем сравнить направляемые и свободные космические волны с водными волнами, которые могут быть вызваны камнем, брошенным в спокойный водоем, или другими способами. Как только начинается возмущение в воде, генерируются водные волны и 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 других волн.
То же самое относится и к электромагнитным волнам, создаваемым электрическими возмущениями. Если первоначальное электрическое возмущение от источника имеет короткую продолжительность, то генерируемые электромагнитные волны распространяются внутри линии передачи, затем входят в антенну и, наконец, излучаются как волны свободного пространства, даже если возбуждение больше не присутствует (точно так же, как волны на воде и создаваемое ими возмущение). Если электрическое возмущение непрерывно, то электромагнитные волны существуют непрерывно и следуют за ними вплотную во время распространения, как показано на биконической антенне, показанной на рисунке 5. Когда электромагнитные волны находятся внутри линий передачи и антенн, их существование связано с существованием электрического заряда внутри проводника. Однако, когда волны излучаются, они образуют замкнутый контур, и заряда для поддержания их существования нет. Это приводит нас к выводу, что:
Возбуждение поля требует ускорения и замедления заряда, но поддержание поля не требует ускорения и замедления заряда.
Рисунок 5
3. Дипольное излучение
Мы пытаемся объяснить механизм, посредством которого линии электрического поля отрываются от антенны и формируют волны свободного пространства, и берем в качестве примера дипольную антенну. Хотя это упрощенное объяснение, оно также позволяет людям интуитивно увидеть генерацию волн свободного пространства. Рисунок 6(a) показывает 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 образованных линий электрического поля равно 3. В следующей четверти цикла исходные три линии электрического поля смещаются еще на λ∕4 (всего на λ∕2 от начальной точки), и плотность заряда на проводнике начинает уменьшаться. Можно считать, что она образована введением 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 представлено пунктирными линиями на рисунке 6(b).
Конечный результат заключается в том, что на первом расстоянии λ∕4 есть три нисходящие линии электрического поля и такое же количество восходящих линий электрического поля на втором расстоянии λ∕4. Поскольку на антенне нет чистого заряда, линии электрического поля должны быть вынуждены отделиться от проводника и объединиться вместе, чтобы сформировать замкнутую петлю. Это показано на рисунке 6(c). Во второй половине происходит тот же физический процесс, но обратите внимание, что направление противоположное. После этого процесс повторяется и продолжается бесконечно, образуя распределение электрического поля, подобное рисунку 4.
Рисунок 6
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите сайт:
Время публикации: 20 июня 2024 г.
