Wanneer dit kom byantennas, die vraag waaroor mense die meeste bekommerd is, is "Hoe word straling eintlik bereik?" Hoe versprei die elektromagnetiese veld wat deur die seinbron gegenereer word deur die transmissielyn en binne die antenna, en "skei" dit uiteindelik van die antenna om 'n vrye ruimtegolf te vorm.
1. Enkeldraadstraling
Kom ons neem aan dat die ladingsdigtheid, uitgedruk as qv (Coulomb/m3), eenvormig versprei is in 'n sirkelvormige draad met 'n dwarssnitoppervlakte van a en 'n volume van V, soos getoon in Figuur 1.
Figuur 1
Die totale lading Q in volume V beweeg in die z-rigting teen 'n uniforme spoed Vz (m/s). Daar kan bewys word dat die stroomdigtheid Jz op die dwarssnit van die draad is:
Jz = qv vz (1)
As die draad van 'n ideale geleier gemaak is, is die stroomdigtheid Js op die draadoppervlak:
Js = qs vz (2)
Waar qs die oppervlakladingsdigtheid is. As die draad baie dun is (ideaal gesproke is die radius 0), kan die stroom in die draad uitgedruk word as:
Iz = ql vz (3)
Waar ql (coulomb/meter) die lading per eenheidslengte is.
Ons is hoofsaaklik gemoeid met dun drade, en die gevolgtrekkings is van toepassing op die bogenoemde drie gevalle. Indien die stroom tyd-veranderend is, is die afgeleide van formule (3) met betrekking tot tyd soos volg:
(4)
az is die ladingversnelling. As die draadlengte l is, kan (4) soos volg geskryf word:
(5)
Vergelyking (5) is die basiese verhouding tussen stroom en lading, en ook die basiese verhouding van elektromagnetiese straling. Eenvoudig gestel, om straling te produseer, moet daar 'n tydveranderende stroom of versnelling (of vertraging) van lading wees. Ons noem gewoonlik stroom in tydharmoniese toepassings, en lading word meestal in oorgangstoepassings genoem. Om ladingversnelling (of vertraging) te produseer, moet die draad gebuig, gevou en diskontinu wees. Wanneer die lading in tydharmoniese beweging ossilleer, sal dit ook periodieke ladingversnelling (of vertraging) of tydveranderende stroom produseer. Daarom:
1) As die lading nie beweeg nie, sal daar geen stroom en geen straling wees nie.
2) As die lading teen 'n konstante spoed beweeg:
a. As die draad reguit en oneindig lank is, is daar geen straling nie.
b. As die draad gebuig, gevou of onderbroke is, soos getoon in Figuur 2, is daar straling.
3) As die lading oor tyd ossilleer, sal die lading uitstraal selfs al is die draad reguit.
Figuur 2
'n Kwalitatiewe begrip van die stralingsmeganisme kan verkry word deur te kyk na 'n gepulseerde bron wat gekoppel is aan 'n oop draad wat deur 'n las aan sy oop punt geaard kan word, soos getoon in Figuur 2(d). Wanneer die draad aanvanklik geaktiveer word, word die ladings (vrye elektrone) in die draad in beweging gebring deur die elektriese veldlyne wat deur die bron gegenereer word. Soos die ladings aan die bronpunt van die draad versnel word en vertraag word (negatiewe versnelling relatief tot die oorspronklike beweging) wanneer dit aan sy punt gereflekteer word, word 'n stralingsveld aan sy punte en langs die res van die draad gegenereer. Die versnelling van die ladings word bewerkstellig deur 'n eksterne kragbron wat die ladings in beweging sit en die geassosieerde stralingsveld produseer. Die vertraging van die ladings aan die punte van die draad word bewerkstellig deur interne kragte wat verband hou met die geïnduseerde veld, wat veroorsaak word deur die ophoping van gekonsentreerde ladings aan die punte van die draad. Die interne kragte kry energie uit die ophoping van lading soos die snelheid daarvan tot nul aan die punte van die draad afneem. Daarom is die versnelling van die ladings as gevolg van die elektriese veldopwekking en die vertraging van die ladings as gevolg van die diskontinuïteit of gladde kurwe van die draadimpedansie die meganismes vir die opwekking van elektromagnetiese straling. Alhoewel beide stroomdigtheid (Jc) en ladingsdigtheid (qv) bronterme in Maxwell se vergelykings is, word lading as 'n meer fundamentele hoeveelheid beskou, veral vir oorgangsvelde. Alhoewel hierdie verduideliking van straling hoofsaaklik vir oorgangstoestande gebruik word, kan dit ook gebruik word om bestendige toestandstraling te verduidelik.
Beveel verskeie uitstekende aanantenna produktevervaardig deurRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0.8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Tweedraadsstraling
Koppel 'n spanningsbron aan 'n tweegeleier-transmissielyn wat aan 'n antenna gekoppel is, soos getoon in Figuur 3(a). Die toepassing van spanning op die tweedraadlyn genereer 'n elektriese veld tussen die geleiers. Die elektriese veldlyne werk in op die vrye elektrone (maklik geskei van atome) wat aan elke geleier gekoppel is en dwing hulle om te beweeg. Die beweging van ladings genereer stroom, wat weer 'n magnetiese veld genereer.
Figuur 3
Ons het aanvaar dat elektriese veldlyne met positiewe ladings begin en met negatiewe ladings eindig. Natuurlik kan hulle ook met positiewe ladings begin en by oneindigheid eindig; of by oneindigheid begin en met negatiewe ladings eindig; of geslote lusse vorm wat nie met enige ladings begin of eindig nie. Magnetiese veldlyne vorm altyd geslote lusse rondom stroomdraende geleiers omdat daar geen magnetiese ladings in fisika is nie. In sommige wiskundige formules word ekwivalente magnetiese ladings en magnetiese strome bekendgestel om die dualiteit tussen oplossings wat krag en magnetiese bronne behels, te toon.
Die elektriese veldlyne wat tussen twee geleiers getrek word, help om die verspreiding van lading te toon. As ons aanvaar dat die spanningsbron sinusvormig is, verwag ons dat die elektriese veld tussen die geleiers ook sinusvormig sal wees met 'n periode gelyk aan dié van die bron. Die relatiewe grootte van die elektriese veldsterkte word voorgestel deur die digtheid van die elektriese veldlyne, en die pyle dui die relatiewe rigting aan (positief of negatief). Die opwekking van tydveranderende elektriese en magnetiese velde tussen die geleiers vorm 'n elektromagnetiese golf wat langs die transmissielyn voortplant, soos getoon in Figuur 3(a). Die elektromagnetiese golf gaan die antenna binne met die lading en die ooreenstemmende stroom. As ons 'n deel van die antennastruktuur verwyder, soos getoon in Figuur 3(b), kan 'n vrye ruimtegolf gevorm word deur die oop punte van die elektriese veldlyne te "verbind" (getoon deur die stippellyne). Die vrye ruimtegolf is ook periodiek, maar die konstante fasepunt P0 beweeg uitwaarts teen die spoed van lig en beweeg 'n afstand van λ/2 (na P1) in 'n halwe tydperk. Naby die antenna beweeg die konstante-fase punt P0 vinniger as die spoed van lig en benader die spoed van lig op punte ver van die antenna. Figuur 4 toon die vrye ruimte elektriese veldverspreiding van die λ∕2 antenna by t = 0, t/8, t/4, en 3T/8.
Figuur 4 Vrye ruimte elektriese veldverspreiding van die λ∕2 antenna by t = 0, t/8, t/4 en 3T/8
Dit is nie bekend hoe die geleide golwe van die antenna geskei word en uiteindelik gevorm word om in die vrye ruimte voort te plant nie. Ons kan geleide en vrye ruimtegolwe vergelyk met watergolwe, wat veroorsaak kan word deur 'n klip wat in 'n kalm watermassa val of op ander maniere. Sodra die versteuring in die water begin, word watergolwe gegenereer en begin dit na buite voortplant. Selfs al stop die versteuring, stop die golwe nie, maar gaan voort om vorentoe voort te plant. As die versteuring voortduur, word nuwe golwe voortdurend gegenereer, en die voortplanting van hierdie golwe bly agter die ander golwe.
Dieselfde geld vir elektromagnetiese golwe wat deur elektriese steurnisse gegenereer word. As die aanvanklike elektriese steuring van die bron van korte duur is, propageer die gegenereerde elektromagnetiese golwe binne die transmissielyn, gaan dan die antenna binne en straal uiteindelik uit as vrye ruimtegolwe, al is die opwekking nie meer teenwoordig nie (net soos die watergolwe en die steuring wat hulle geskep het). As die elektriese steuring aaneenlopend is, bestaan die elektromagnetiese golwe aaneenlopend en volg hulle kort agterna tydens voortplanting, soos getoon in die bikoniese antenna wat in Figuur 5 getoon word. Wanneer elektromagnetiese golwe binne transmissielyne en antennas is, hou hul bestaan verband met die bestaan van elektriese lading binne die geleier. Wanneer die golwe egter uitgestraal word, vorm hulle 'n geslote lus en is daar geen lading om hul bestaan te handhaaf nie. Dit lei ons tot die gevolgtrekking dat:
Opwekking van die veld vereis versnelling en vertraging van die lading, maar instandhouding van die veld vereis nie versnelling en vertraging van die lading nie.
Figuur 5
3. Dipoolstraling
Ons probeer die meganisme verduidelik waardeur die elektriese veldlyne van die antenna wegbreek en vrye ruimtegolwe vorm, en neem die dipoolantenna as voorbeeld. Alhoewel dit 'n vereenvoudigde verduideliking is, stel dit mense ook in staat om die opwekking van vrye ruimtegolwe intuïtief te sien. Figuur 6(a) toon die elektriese veldlyne wat tussen die twee arms van die dipool gegenereer word wanneer die elektriese veldlyne in die eerste kwart van die siklus met λ∕4 na buite beweeg. Vir hierdie voorbeeld, laat ons aanvaar dat die aantal elektriese veldlyne wat gevorm word, 3 is. In die volgende kwart van die siklus beweeg die oorspronklike drie elektriese veldlyne nog λ∕4 (’n totaal van λ∕2 vanaf die beginpunt), en die ladingsdigtheid op die geleier begin afneem. Dit kan beskou word as gevorm deur die bekendstelling van teenoorgestelde ladings, wat die ladings op die geleier aan die einde van die eerste helfte van die siklus uitkanselleer. Die elektriese veldlyne wat deur die teenoorgestelde ladings gegenereer word, is 3 en beweeg 'n afstand van λ∕4, wat deur die stippellyne in Figuur 6(b) voorgestel word.
Die finale resultaat is dat daar drie afwaartse elektriese veldlyne in die eerste λ∕4-afstand is en dieselfde aantal opwaartse elektriese veldlyne in die tweede λ∕4-afstand. Aangesien daar geen netto lading op die antenna is nie, moet die elektriese veldlyne gedwing word om van die geleier te skei en saam te kombineer om 'n geslote lus te vorm. Dit word in Figuur 6(c) getoon. In die tweede helfte word dieselfde fisiese proses gevolg, maar let op dat die rigting teenoorgesteld is. Daarna word die proses herhaal en duur dit onbepaald voort, wat 'n elektriese veldverspreiding soortgelyk aan Figuur 4 vorm.
Figuur 6
Om meer oor antennas te wete te kom, besoek asseblief:
Plasingstyd: 20 Junie 2024
