Când vine vorba deantene, întrebarea care îi preocupă cel mai mult pe oameni este „Cum se obține de fapt radiația?”. Cum se propagă câmpul electromagnetic generat de sursa de semnal prin linia de transmisie și în interiorul antenei și, în final, cum se „separă” de antenă pentru a forma o undă în spațiu liber.
1. Radiație cu un singur fir
Să presupunem că densitatea de sarcină, exprimată ca qv (Coulomb/m3), este distribuită uniform într-un fir circular cu o secțiune transversală de a și un volum de V, așa cum se arată în Figura 1.
Figura 1
Sarcina totală Q în volumul V se mișcă în direcția z cu o viteză uniformă Vz (m/s). Se poate demonstra că densitatea de curent Jz pe secțiunea transversală a firului este:
Jz = qv vz (1)
Dacă firul este realizat dintr-un conductor ideal, densitatea de curent Js pe suprafața firului este:
Js = qs vz (2)
Unde qs este densitatea de sarcină superficială. Dacă firul este foarte subțire (în mod ideal, raza este 0), curentul din fir poate fi exprimat ca:
Iz = ql vz (3)
Unde ql (coulomb/metru) este sarcina pe unitatea de lungime.
Ne preocupă în principal firele subțiri, iar concluziile se aplică celor trei cazuri de mai sus. Dacă curentul variază în timp, derivata formulei (3) în funcție de timp este următoarea:
(4)
az este accelerația sarcinii. Dacă lungimea firului este l, (4) poate fi scrisă astfel:
(5)
Ecuația (5) reprezintă relația de bază dintre curent și sarcină, precum și relația de bază a radiației electromagnetice. Simplu spus, pentru a produce radiație, trebuie să existe un curent variabil în timp sau o accelerație (sau decelerație) a sarcinii. De obicei, menționăm curentul în aplicațiile armonice de timp, iar sarcina este cel mai adesea menționată în aplicațiile tranzitorii. Pentru a produce o accelerație (sau decelerație) a sarcinii, firul trebuie să fie îndoit, pliat și discontinuu. Când sarcina oscilează într-o mișcare armonică de timp, aceasta va produce și o accelerație (sau decelerație) periodică a sarcinii sau un curent variabil în timp. Prin urmare:
1) Dacă sarcina nu se mișcă, nu va exista curent și nu va exista radiație.
2) Dacă sarcina se mișcă cu o viteză constantă:
a. Dacă firul este drept și de lungime infinită, nu există radiație.
b. Dacă firul este îndoit, pliat sau discontinuu, așa cum se arată în Figura 2, există radiație.
3) Dacă sarcina oscilează în timp, sarcina va radia chiar dacă firul este drept.
Figura 2
O înțelegere calitativă a mecanismului radiației poate fi obținută prin examinarea unei surse pulsate conectate la un fir deschis care poate fi legat la masă printr-o sarcină la capătul său deschis, așa cum se arată în Figura 2(d). Când firul este inițial energizat, sarcinile (electronii liberi) din fir sunt puse în mișcare de liniile câmpului electric generate de sursă. Pe măsură ce sarcinile sunt accelerate la capătul sursei firului și decelerate (accelerație negativă față de mișcarea inițială) atunci când sunt reflectate la capătul său, se generează un câmp de radiație la capetele sale și de-a lungul restului firului. Accelerarea sarcinilor este realizată de o sursă externă de forță care pune sarcinile în mișcare și produce câmpul de radiație asociat. Decelerarea sarcinilor la capetele firului este realizată de forțe interne asociate cu câmpul indus, care este cauzată de acumularea de sarcini concentrate la capetele firului. Forțele interne câștigă energie din acumularea de sarcină pe măsură ce viteza acesteia scade la zero la capetele firului. Prin urmare, accelerarea sarcinilor datorată excitației câmpului electric și decelerarea sarcinilor datorată discontinuității sau curbei netede a impedanței firului sunt mecanismele pentru generarea radiației electromagnetice. Deși atât densitatea de curent (Jc), cât și densitatea de sarcină (qv) sunt termeni sursă în ecuațiile lui Maxwell, sarcina este considerată a fi o mărime fundamentală, în special pentru câmpurile tranzitorii. Deși această explicație a radiației este utilizată în principal pentru stările tranzitorii, ea poate fi utilizată și pentru a explica radiația în stare staționară.
Recomand câteva produse excelenteproduse de antenăfabricat deRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Radiație pe două fire
Conectați o sursă de tensiune la o linie de transmisie cu doi conductori conectată la o antenă, așa cum se arată în Figura 3(a). Aplicarea tensiunii pe linia cu doi fire generează un câmp electric între conductori. Liniile câmpului electric acționează asupra electronilor liberi (ușor separați de atomi) conectați la fiecare conductor și îi forțează să se miște. Mișcarea sarcinilor generează curent, care la rândul său generează un câmp magnetic.
Figura 3
Am acceptat că liniile câmpului electric încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative. Desigur, ele pot începe și cu sarcini pozitive și se pot termina la infinit; sau pot începe la infinit și se pot termina cu sarcini negative; sau pot forma bucle închise care nici nu încep, nici nu se termină cu nicio sarcină. Liniile câmpului magnetic formează întotdeauna bucle închise în jurul conductorilor care transportă curent, deoarece în fizică nu există sarcini magnetice. În unele formule matematice, se introduc sarcini magnetice echivalente și curenți magnetici pentru a arăta dualitatea dintre soluțiile care implică surse de putere și surse magnetice.
Liniile câmpului electric trasate între doi conductori ajută la ilustrarea distribuției sarcinii. Dacă presupunem că sursa de tensiune este sinusoidală, ne așteptăm ca și câmpul electric dintre conductori să fie sinusoidal, cu o perioadă egală cu cea a sursei. Magnitudinea relativă a intensității câmpului electric este reprezentată de densitatea liniilor câmpului electric, iar săgețile indică direcția relativă (pozitivă sau negativă). Generarea de câmpuri electrice și magnetice variabile în timp între conductori formează o undă electromagnetică care se propagă de-a lungul liniei de transmisie, așa cum se arată în Figura 3(a). Unda electromagnetică intră în antenă cu sarcina și curentul corespunzător. Dacă îndepărtăm o parte din structura antenei, așa cum se arată în Figura 3(b), o undă în spațiu liber se poate forma prin „conectarea” capetelor deschise ale liniilor câmpului electric (indicate de liniile punctate). Unda în spațiu liber este, de asemenea, periodică, dar punctul de fază constantă P0 se deplasează spre exterior cu viteza luminii și parcurge o distanță de λ/2 (până la P1) în jumătate de perioadă de timp. În apropierea antenei, punctul de fază constantă P0 se mișcă mai repede decât viteza luminii și se apropie de viteza luminii în punctele îndepărtate de antenă. Figura 4 prezintă distribuția câmpului electric în spațiu liber al antenei λ∕2 la t = 0, t/8, t/4 și 3T/8.
Figura 4 Distribuția câmpului electric în spațiu liber al antenei λ∕2 la t = 0, t/8, t/4 și 3T/8
Nu se știe cum sunt separate undele ghidate de antenă și cum se formează în cele din urmă pentru a se propaga în spațiu liber. Putem compara undele ghidate și cele din spațiul liber cu undele apei, care pot fi cauzate de o piatră scăpată într-o apă calmă sau în alte moduri. Odată ce începe perturbația în apă, se generează unde de apă care încep să se propagă spre exterior. Chiar dacă perturbația se oprește, undele nu se opresc, ci continuă să se propagă înainte. Dacă perturbația persistă, se generează constant noi unde, iar propagarea acestor unde este în urma celorlalte unde.
Același lucru este valabil și pentru undele electromagnetice generate de perturbații electrice. Dacă perturbația electrică inițială de la sursă este de scurtă durată, undele electromagnetice generate se propagă în interiorul liniei de transmisie, apoi intră în antenă și, în final, radiază sub formă de unde în spațiu liber, chiar dacă excitația nu mai este prezentă (la fel ca undele de apă și perturbația pe care au creat-o). Dacă perturbația electrică este continuă, undele electromagnetice există continuu și le urmează îndeaproape în timpul propagării, așa cum se arată în antena biconică prezentată în Figura 5. Când undele electromagnetice se află în interiorul liniilor de transmisie și al antenelor, existența lor este legată de existența sarcinii electrice în interiorul conductorului. Cu toate acestea, atunci când undele sunt radiate, ele formează o buclă închisă și nu există nicio sarcină care să le mențină existența. Acest lucru ne conduce la concluzia că:
Excitarea câmpului necesită accelerarea și decelerarea sarcinii, dar menținerea câmpului nu necesită accelerarea și decelerarea sarcinii.
Figura 5
3. Radiația dipolară
Încercăm să explicăm mecanismul prin care liniile câmpului electric se desprind de antenă și formează unde în spațiu liber, luând ca exemplu antena dipol. Deși este o explicație simplificată, ea permite și oamenilor să vadă intuitiv generarea undelor în spațiu liber. Figura 6(a) prezintă liniile câmpului electric generate între cele două brațe ale dipolului atunci când liniile câmpului electric se deplasează spre exterior cu λ∕4 în primul sfert al ciclului. Pentru acest exemplu, să presupunem că numărul de linii de câmp electric formate este 3. În următorul sfert al ciclului, cele trei linii de câmp electric inițiale se deplasează cu încă λ∕4 (un total de λ∕2 față de punctul de pornire), iar densitatea de sarcină pe conductor începe să scadă. Se poate considera că aceasta este formată prin introducerea unor sarcini opuse, care anulează sarcinile de pe conductor la sfârșitul primei jumătăți a ciclului. Liniile câmpului electric generate de sarcinile opuse sunt 3 și se deplasează pe o distanță de λ∕4, ceea ce este reprezentat de liniile punctate din Figura 6(b).
Rezultatul final este că există trei linii de câmp electric descendente pe prima distanță λ∕4 și același număr de linii de câmp electric ascendente pe a doua distanță λ∕4. Deoarece nu există sarcină netă pe antenă, liniile de câmp electric trebuie forțate să se separe de conductor și să se combine pentru a forma o buclă închisă. Acest lucru este prezentat în Figura 6(c). În a doua jumătate, se urmează același proces fizic, dar se observă că direcția este opusă. După aceea, procesul se repetă și continuă la nesfârșit, formând o distribuție a câmpului electric similară cu Figura 4.
Figura 6
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Data publicării: 20 iunie 2024
