Когда дело доходит доантенныВопрос, который больше всего волнует людей, звучит так: «Как на самом деле достигается излучение?» Каким образом электромагнитное поле, создаваемое источником сигнала, распространяется по линии передачи и внутри антенны, а затем «отделяется» от антенны, образуя волну в свободном пространстве.
1. Излучение через один провод
Предположим, что плотность заряда, выраженная как qv (Кулон/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 объёме V движется в направлении z с равномерной скоростью Vz (м/с). Можно доказать, что плотность тока Jz в 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.
Нас интересуют в основном тонкие провода, и выводы применимы к трём вышеприведённым случаям. Если ток меняется во времени, производная формулы (3) по времени выглядит следующим образом:
(4)
az — ускорение заряда. Если длина провода равна l, (4) можно записать следующим образом:
(5)
Уравнение (5) выражает основное соотношение между током и зарядом, а также основное соотношение электромагнитного излучения. Проще говоря, для возникновения излучения необходим изменяющийся во времени ток или ускорение (или замедление) заряда. Мы обычно упоминаем ток в гармонических приложениях, а заряд чаще всего упоминается в переходных приложениях. Для ускорения (или замедления) заряда провод должен быть согнут, сложен и иметь разрывы. Когда заряд совершает гармонические колебания, 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, 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, рассмотрев импульсный источник, подключенный к открытому проводу, который может быть заземлен через нагрузку на своем открытом конце, как показано на рисунке 2(d). При первоначальном подаче напряжения на провод заряды (свободные электроны) в проводе приводятся в движение линиями электрического поля, создаваемого источником. По мере того, как заряды ускоряются на конце провода, соприкасающемся с источником, и замедляются (имея 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 соответствующее поле излучения. Торможение зарядов на концах провода осуществляется внутренними силами, связанными с индуцированным полем, которое возникает вследствие накопления 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 вследствие возбуждения электрического поля и замедление зарядов вследствие разрыва или плавности кривой импеданса провода являются механизмами генерации электромагнитного излучения. Хотя как плотность тока (Jc), так и плотность заряда (qv) являются исходными членами уравнений Максвелла, заряд считается более фундаментальной величиной, особенно для нестационарных полей. Хотя это объяснение излучения применяется главным образом к нестационарным состояниям, его можно использовать и для объяснения стационарного излучения.
Порекомендовать несколько отличныхантенные изделияпроизведеноРФМИСО:
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, соединённой с антенной, как показано на рисунке 3(a). Подача напряжения на двухпроводную линию создаёт электрическое поле между проводниками. Линии электрического поля действуют на свободные электроны (легко отделимые от атомов), соединённые с каждым проводником, заставляя их двигаться. Движение зарядов создаёт ток, который, в свою очередь, создаёт магнитное поле.
Рисунок 3
Мы приняли, что линии электрического поля начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными. Конечно, они также могут начинаться с положительных зарядов и заканчиваться на бесконечности; или начинаться на бесконечности и заканчиваться отрицательными зарядами; или образовывать замкнутые контуры, которые не начинаются и не заканчиваются никакими зарядами. Линии магнитного поля всегда образуют замкнутые контуры вокруг проводников с током, поскольку в физике нет магнитных зарядов. В некоторых математических формулах эквивалентные магнитные заряды и магнитные токи вводятся для демонстрации двойственности решений, включающих мощность и магнитные источники.
Линии электрического поля, проведенные между двумя проводниками, помогают показать распределение заряда. Если предположить, что источник напряжения синусоидальный, то можно ожидать, что электрическое поле между проводниками также будет синусоидальным с периодом, равным периоду источника. Относительная величина напряжённости 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 формирует электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль линии передачи, как показано на рисунке 3(a). Электромагнитная волна входит в антенну с зарядом и соответствующим током. Если удалить часть антенной конструкции, как показано на рисунке 3(b), 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 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 ней в точках, удаленных от антенны. На рисунке 4 показано распределение электрического поля антенны λ/2 в свободном пространстве 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. Направляемые и космические волны можно сравнить с волнами на воде, которые могут возникнуть, если бросить камень в спокойную воду или по другим причинам. Как только начинается возмущение воды, возникают волны на воде, которые начинают распространяться наружу. Даже если возмущение прекращается, волны не останавливаются, а продолжают распространяться вперёд. Если же возмущение сохраняется, постоянно генерируются новые волны, и их распространение отстаёт 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 проникают в антенну и, наконец, излучаются как волны в свободном пространстве, даже несмотря на отсутствие возбуждения (точно так же, как волны на воде и создаваемое ими возмущение). Если электрическое возмущение непрерывно, электромагнитные волны существуют непрерывно и следуют за ними по мере распространения, как показано на биконической антенне, показанной на рисунке 5. Когда электромагнитные волны находятся внутри линий передачи и антенн, их существование связано с наличием электрического заряда внутри проводника. Однако при излучении волны образуют замкнутый контур, и заряд, необходимый для их существования, отсутствует. 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 в свободном пространстве, и используем в качестве примера дипольную антенну. Хотя это упрощенное объяснение, оно также позволяет людям интуитивно увидеть генерацию волн в свободном пространстве. На рисунке 6(a) 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 образованных линий электрического поля равно 3. В следующей четверти цикла исходные три линии электрического поля смещаются еще на λ∕4 (в общей сложности 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).
В результате на первом расстоянии λ/4 возникают три нисходящие линии электрического поля, а на втором расстоянии λ/4 – такое же количество восходящих линий. 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 эксперимента повторяется тот же физический процесс, но направление противоположно. После этого процесс повторяется бесконечно, формируя распределение электрического поля, аналогичное показанному на рисунке 4.
Рисунок 6
Более подробную информацию об антеннах можно найти на сайте:
Время публикации: 20 июня 2024 г.
