Kada je u pitanjuantene, pitanje koje ljude najviše brine je "Kako se zapravo postiže zračenje?" Kako se elektromagnetsko polje koje generira izvor signala širi kroz dalekovod i unutar antene te se konačno "odvaja" od antene i formira val slobodnog prostora.
1. Zračenje jedne žice
Pretpostavimo da je gustoća naboja, izražena kao qv (Coulomb/m3), jednoliko raspoređena u kružnoj žici s površinom poprečnog presjeka a i volumenom V, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1
Ukupni naboj Q u volumenu V kreće se u smjeru z jednolikom brzinom Vz (m/s). Može se dokazati da je gustoća struje Jz na presjeku žice:
Jz = qv vz （1）
Ako je žica napravljena od idealnog vodiča, gustoća struje Js na površini žice je:
Js = qs vz (2)
Gdje je qs gustoća površinskog naboja. Ako je žica vrlo tanka (idealno, polumjer je 0), struja u žici može se izraziti kao:
Iz = ql vz (3)
Gdje je ql (kulon/metar) naboj po jedinici duljine.
Uglavnom se bavimo tankim žicama, a zaključci se primjenjuju na gornja tri slučaja. Ako je struja vremenski promjenjiva, derivacija formule (3) s obzirom na vrijeme je sljedeća:
(4)
az je ubrzanje naboja. Ako je duljina žice l, (4) se može napisati na sljedeći način:
(5)
Jednadžba (5) je osnovni odnos između struje i naboja, a ujedno i osnovni odnos elektromagnetskog zračenja. Jednostavno rečeno, da bi se proizvelo zračenje, mora postojati vremenski promjenjiva struja ili ubrzanje (ili usporavanje) naboja. Obično spominjemo struju u vremenski harmonijskom gibanju, a naboj se najčešće spominje u prijelaznim primjenama. Da bi se proizvelo ubrzanje (ili usporavanje) naboja, žica mora biti savijena, presavijena i diskontinuirana. Kada naboj oscilira u vremenski harmonijskom gibanju, također će proizvesti periodično ubrzanje (ili usporavanje) naboja ili vremenski promjenjivu struju. Stoga:
1) Ako se naboj ne pomiče, neće biti struje niti zračenja.
2) Ako se naboj giba konstantnom brzinom:
a. Ako je žica ravna i beskonačne duljine, nema zračenja.
b. Ako je žica savijena, preklopljena ili diskontinuirana, kao što je prikazano na slici 2, postoji zračenje.
3) Ako naboj oscilira tijekom vremena, naboj će zračiti čak i ako je žica ravna.
Slika 2
Kvalitativno razumijevanje mehanizma zračenja može se dobiti promatranjem pulsirajućeg izvora spojenog na otvorenu žicu koja se može uzemljiti putem opterećenja na svom otvorenom kraju, kao što je prikazano na slici 2(d). Kada se žica početno napaja, naboji (slobodni elektroni) u žici pokreću se linijama električnog polja koje generira izvor. Kako se naboji ubrzavaju na kraju izvora žice i usporavaju (negativno ubrzanje u odnosu na izvorno gibanje) kada se reflektiraju na njenom kraju, na njenim krajevima i duž ostatka žice generira se polje zračenja. Ubrzanje naboja postiže se vanjskim izvorom sile koji pokreće naboje i stvara pridruženo polje zračenja. Usporavanje naboja na krajevima žice postiže se unutarnjim silama povezanim s induciranim poljem, koje je uzrokovano nakupljanjem koncentriranih naboja na krajevima žice. Unutarnje sile dobivaju energiju od nakupljanja naboja kako se njegova brzina smanjuje na nulu na krajevima žice. Stoga su ubrzanje naboja zbog pobude električnog polja i usporavanje naboja zbog diskontinuiteta ili glatke krivulje impedancije žice mehanizmi za generiranje elektromagnetskog zračenja. Iako su i gustoća struje (Jc) i gustoća naboja (qv) izvorni članovi u Maxwellovim jednadžbama, naboj se smatra temeljnijom veličinom, posebno za prolazna polja. Iako se ovo objašnjenje zračenja uglavnom koristi za prolazna stanja, može se koristiti i za objašnjenje zračenja u stacionarnom stanju.
Preporučujem nekoliko izvrsnihantenski proizvodiproizvedeno od straneRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Dvožično zračenje
Spojite izvor napona na dvožilni dalekovod spojen na antenu, kao što je prikazano na slici 3(a). Primjena napona na dvožilni vod generira električno polje između vodiča. Linije električnog polja djeluju na slobodne elektrone (koji se lako odvajaju od atoma) spojene na svaki vodič i prisiljavaju ih na kretanje. Kretanje naboja generira struju, koja zauzvrat generira magnetsko polje.
Slika 3
Prihvatili smo da linije električnog polja počinju s pozitivnim nabojima, a završavaju s negativnim nabojima. Naravno, one također mogu započeti s pozitivnim nabojima i završiti u beskonačnosti; ili započeti u beskonačnosti i završiti s negativnim nabojima; ili formirati zatvorene petlje koje niti počinju niti završavaju s ikakvim nabojima. Linije magnetskog polja uvijek formiraju zatvorene petlje oko vodiča koji nose struju jer u fizici nema magnetskih naboja. U nekim matematičkim formulama uvedeni su ekvivalentni magnetski naboji i magnetske struje kako bi se pokazala dualnost između rješenja koja uključuju izvore energije i magneta.
Linije električnog polja nacrtane između dva vodiča pomažu u prikazu raspodjele naboja. Ako pretpostavimo da je izvor napona sinusoidan, očekujemo da će i električno polje između vodiča biti sinusoidno s periodom jednakim periodu izvora. Relativna veličina jakosti električnog polja predstavljena je gustoćom linija električnog polja, a strelice označavaju relativni smjer (pozitivan ili negativan). Generiranje vremenski promjenjivih električnih i magnetskih polja između vodiča formira elektromagnetski val koji se širi duž dalekovoda, kao što je prikazano na slici 3(a). Elektromagnetski val ulazi u antenu s nabojem i odgovarajućom strujom. Ako uklonimo dio strukture antene, kao što je prikazano na slici 3(b), val slobodnog prostora može se formirati "spajanjem" otvorenih krajeva linija električnog polja (prikazanih isprekidanim linijama). Val slobodnog prostora je također periodičan, ali točka konstantne faze P0 kreće se prema van brzinom svjetlosti i prelazi udaljenost od λ/2 (do P1) u polovici vremenskog razdoblja. U blizini antene, točka konstantne faze P0 kreće se brže od brzine svjetlosti i približava se brzini svjetlosti u točkama daleko od antene. Slika 4 prikazuje raspodjelu električnog polja antene λ∕2 u slobodnom prostoru pri t = 0, t/8, t/4 i 3T/8.
Slika 4 Raspodjela električnog polja u slobodnom prostoru antene λ∕2 pri t = 0, t/8, t/4 i 3T/8
Nije poznato kako se vođeni valovi odvajaju od antene i na kraju formiraju za širenje u slobodnom prostoru. Vođene i valove slobodnog prostora možemo usporediti s vodenim valovima, koje može uzrokovati kamen ispušten u mirnu vodenu površinu ili na druge načine. Nakon što poremećaj u vodi započne, generiraju se vodeni valovi koji se počinju širiti prema van. Čak i ako poremećaj prestane, valovi se ne zaustavljaju, već se nastavljaju širiti prema naprijed. Ako poremećaj traje, stalno se generiraju novi valovi, a širenje tih valova zaostaje za ostalim valovima.
Isto vrijedi i za elektromagnetske valove generirane električnim poremećajima. Ako je početni električni poremećaj iz izvora kratkog trajanja, generirani elektromagnetski valovi šire se unutar dalekovoda, zatim ulaze u antenu i konačno zrače kao valovi slobodnog prostora, iako pobuđivanje više nije prisutno (baš kao i valovi vode i poremećaj koji su stvorili). Ako je električni poremećaj kontinuiran, elektromagnetski valovi postoje kontinuirano i slijede ih tijekom širenja, kao što je prikazano na bikoničnoj anteni prikazanoj na slici 5. Kada su elektromagnetski valovi unutar dalekovoda i antena, njihovo postojanje povezano je s postojanjem električnog naboja unutar vodiča. Međutim, kada se valovi zrače, oni tvore zatvorenu petlju i nema naboja koji bi održao njihovo postojanje. To nas dovodi do zaključka da:
Pobuđivanje polja zahtijeva ubrzanje i usporavanje naboja, ali održavanje polja ne zahtijeva ubrzanje i usporavanje naboja.
Slika 5
3. Dipolno zračenje
Pokušavamo objasniti mehanizam kojim se linije električnog polja odvajaju od antene i formiraju valove slobodnog prostora, uzimajući dipolnu antenu kao primjer. Iako je to pojednostavljeno objašnjenje, ono također omogućuje ljudima da intuitivno vide generiranje valova slobodnog prostora. Slika 6(a) prikazuje linije električnog polja generirane između dva kraka dipola kada se linije električnog polja pomaknu prema van za λ∕4 u prvoj četvrtini ciklusa. Za ovaj primjer, pretpostavimo da je broj formiranih linija električnog polja 3. U sljedećoj četvrtini ciklusa, izvorne tri linije električnog polja pomaknu se za još λ∕4 (ukupno λ∕2 od početne točke), a gustoća naboja na vodiču počinje se smanjivati. Može se smatrati da je nastala uvođenjem suprotnih naboja, koji poništavaju naboje na vodiču na kraju prve polovice ciklusa. Linije električnog polja generirane suprotnim nabojima su 3 i pomiču se za udaljenost od λ∕4, što je predstavljeno isprekidanim linijama na slici 6(b).
Konačni rezultat je da postoje tri silazne linije električnog polja u prvoj udaljenosti λ∕4 i isti broj uzlaznih linija električnog polja u drugoj udaljenosti λ∕4. Budući da na anteni nema neto naboja, linije električnog polja moraju se prisiliti da se odvoje od vodiča i spoje kako bi formirale zatvorenu petlju. To je prikazano na slici 6(c). U drugoj polovici slijedi se isti fizički proces, ali imajte na umu da je smjer suprotan. Nakon toga, proces se ponavlja i nastavlja beskonačno, formirajući raspodjelu električnog polja sličnu onoj na slici 4.
Slika 6
Za više informacija o antenama posjetite:
Vrijeme objave: 20. lipnja 2024.
