Amikor arról van szóantennák, az a kérdés, amely az embereket leginkább aggasztja: "Hogyan érhető el valójában a sugárzás?" Hogyan terjed a jelforrás által generált elektromágneses tér az átviteli vonalon és az antennán belül, végül "leválik" az antennáról és szabad térhullámot képez.
1. Egyvezetékes sugárzás
Tegyük fel, hogy a qv-ben (Coulomb/m3) kifejezett töltéssűrűség egyenletesen oszlik el egy a keresztmetszeti területű és V térfogatú körhuzalban, amint az az 1. ábrán látható.
1. ábra
A V térfogatban lévő Q teljes töltés egyenletes Vz (m/s) sebességgel mozog z irányba. Bizonyítható, hogy a Jz áramsűrűség a vezeték keresztmetszetén:
Jz = qv vz （1)
Ha a vezeték ideális vezetőből készül, a Js áramsűrűség a vezeték felületén:
Js = qs vz （2)
Ahol qs a felületi töltéssűrűség. Ha a vezeték nagyon vékony (ideális esetben a sugár 0), a vezetékben lévő áram a következőképpen fejezhető ki:
Iz = ql vz (3)
Ahol ql (coulomb/méter) az egységnyi hosszra eső díj.
Elsősorban vékony vezetékekkel foglalkozunk, és a következtetések a fenti három esetre vonatkoznak. Ha az áram időben változó, akkor a (3) képlet időbeli deriváltja a következő:
(4)
az a töltésgyorsulás. Ha a vezeték hossza l, a (4) a következőképpen írható fel:
(5)
Az (5) egyenlet az áram és a töltés közötti alapvető összefüggés, valamint az elektromágneses sugárzás alapvető összefüggése. Egyszerűen fogalmazva, a sugárzás előállításához időben változó áramnak vagy töltési gyorsulásnak (vagy lassulásnak) kell lennie. Az időharmonikus alkalmazásoknál általában az áramot említjük, a tranziens alkalmazásoknál pedig a töltést. A töltésgyorsítás (vagy lassulás) előidézése érdekében a vezetéket meg kell hajlítani, össze kell hajtani és szakadatlannak kell lennie. Amikor a töltés időharmonikus mozgásban oszcillál, időszakos töltésgyorsulást (vagy lassulást) vagy időben változó áramot is generál. Ezért:
1) Ha a töltés nem mozog, nem lesz áram és sugárzás.
2) Ha a töltés állandó sebességgel mozog:
a. Ha a vezeték egyenes és végtelen hosszú, akkor nincs sugárzás.
b. Ha a huzal meg van hajlítva, össze van hajtva, vagy nem folytonos, amint az a 2. ábrán látható, sugárzás lép fel.
3) Ha a töltés idővel oszcillál, a töltés akkor is kisugárzik, ha a vezeték egyenes.
2. ábra
A sugárzási mechanizmus minőségi megértéséhez egy nyitott vezetékhez csatlakoztatott impulzusforrást tekinthetünk meg, amely a nyitott végén lévő terhelésen keresztül földelhető, amint az a 2(d) ábrán látható. Amikor a vezetéket kezdetben feszültség alá helyezik, a töltéseket (szabad elektronokat) a vezetékben a forrás által generált elektromos térvonalak mozgásba hozzák. Mivel a töltések felgyorsulnak a vezeték forrás végén, és lelassulnak (negatív gyorsulás az eredeti mozgáshoz képest), amikor a végén visszaverődnek, sugárzási mező keletkezik a huzal végein és a vezeték többi része mentén. A töltések felgyorsítását egy külső erőforrás végzi, amely mozgásba hozza a töltéseket és létrehozza a hozzá tartozó sugárzási teret. A töltések lelassítása a huzal végén az indukált térrel járó belső erők hatására történik, amelyet a huzal végein koncentrált töltések felhalmozódása okoz. A belső erők a töltés felhalmozódásából nyernek energiát, mivel sebessége a huzal végén nullára csökken. Ezért az elektromágneses sugárzás generálásának mechanizmusa az elektromos térgerjesztésből adódó töltések gyorsulása és a vezetékimpedancia folytonossági hiánya vagy sima görbéje miatti töltések lassulása. Bár mind az áramsűrűség (Jc), mind a töltéssűrűség (qv) forrásfogalom a Maxwell-egyenletekben, a töltést alapvetőbb mennyiségnek tekintik, különösen a tranziens mezők esetében. Bár a sugárzásnak ezt a magyarázatát főként átmeneti állapotokra használják, az állandósult állapotú sugárzás magyarázatára is használható.
Ajánlom több kiválóantenna termékekáltal gyártottRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Kétvezetékes sugárzás
Csatlakoztasson egy feszültségforrást egy antennához csatlakoztatott kétvezetős átviteli vezetékhez, a 3(a) ábrán látható módon. A kétvezetékes vezeték feszültségének alkalmazása elektromos mezőt hoz létre a vezetők között. Az elektromos térerővonalak az egyes vezetőkhöz kapcsolódó (az atomoktól könnyen elválasztható) szabad elektronokra hatnak, és mozgásra kényszerítik őket. A töltések mozgása áramot generál, ami viszont mágneses teret hoz létre.
3. ábra
Elfogadtuk, hogy az elektromos erővonalak pozitív töltésekkel kezdődnek és negatív töltésekkel végződnek. Természetesen kezdődhetnek pozitív töltéssel is, és a végtelenben végződhetnek; vagy a végtelenben kezdődik és negatív töltésekkel fejeződik be; vagy zárt hurkokat alkotnak, amelyek nem kezdődnek és nem is végződnek töltéssel. A mágneses erővonalak mindig zárt hurkokat képeznek az áramvezetők körül, mert a fizikában nincsenek mágneses töltések. Egyes matematikai képletekben ekvivalens mágneses töltéseket és mágneses áramokat vezetnek be, hogy megmutassák a kettősséget a teljesítmény és a mágneses források megoldásai között.
A két vezető közé húzott elektromos térerősség segít a töltéseloszlás bemutatásában. Ha feltételezzük, hogy a feszültségforrás szinuszos, akkor azt várjuk, hogy a vezetők közötti elektromos tér is szinuszos, a forrás periódusával egyenlő. Az elektromos térerősség relatív nagyságát az elektromos térerővonalak sűrűsége jelzi, a nyilak pedig a relatív irányt (pozitív vagy negatív). A vezetők közötti időben változó elektromos és mágneses mezők generálása elektromágneses hullámot képez, amely az átviteli vonal mentén terjed, ahogy az a 3(a) ábrán látható. Az elektromágneses hullám a töltéssel és a megfelelő árammal belép az antennába. Ha eltávolítjuk az antenna szerkezetének egy részét, ahogy a 3(b) ábrán látható, szabad térhullám képződhet az elektromos térerővonalak nyitott végeinek "összekapcsolásával" (amit a szaggatott vonalak mutatnak). A szabadtér hulláma is periodikus, de az állandó fázisú P0 pont fénysebességgel kifelé mozdul, és fél idő alatt λ/2 távolságot tesz meg (P1-ig). Az antenna közelében az állandó fázisú P0 pont gyorsabban mozog, mint a fénysebesség, és az antennától távolabbi pontokban megközelíti a fénysebességet. A 4. ábra a λ∕2 antenna szabad térbeli elektromos téreloszlását mutatja t = 0, t/8, t/4 és 3T/8 mellett.
4. ábra A λ∕2 antenna szabad tér elektromos téreloszlása t = 0, t/8, t/4 és 3T/8 mellett
Nem ismert, hogy a vezetett hullámok hogyan válnak el az antennától, és végül hogyan alakulnak ki, hogy szabad térben terjedjenek. Az irányított és szabad űrhullámokat a vízhullámokhoz hasonlíthatjuk, melyeket nyugodt vízbe ejtett kő vagy más módon okozhat. Amint a zavarás a vízben elkezdődik, vízhullámok keletkeznek, amelyek elkezdenek terjedni kifelé. Még ha a zavar megszűnik is, a hullámok nem állnak meg, hanem tovább terjednek előre. Ha a zavar továbbra is fennáll, folyamatosan új hullámok keletkeznek, és ezeknek a hullámoknak a terjedése elmarad a többi hullámtól.
Ugyanez igaz az elektromos zavarok által keltett elektromágneses hullámokra is. Ha a forrásból eredő kezdeti elektromos zavar rövid ideig tart, a keletkező elektromágneses hullámok az átviteli vezetéken belül terjednek, majd az antennába jutnak, és végül szabad térhullámokként sugároznak, még akkor is, ha a gerjesztés már nincs jelen (akárcsak a vízhullámok). és az általuk okozott zavar). Ha az elektromos zavar folyamatos, akkor az elektromágneses hullámok folyamatosan léteznek, és szorosan követik őket a terjedés során, amint az az 5. ábrán látható bikónikus antennán látható. Ha az elektromágneses hullámok az átviteli vezetékeken és antennákon belül vannak, akkor létezésük összefügg az elektromos meglétével. töltés a vezető belsejében. A hullámok kisugárzásakor azonban zárt hurkot képeznek, és nincs töltés, amely fenntartaná létezésüket. Ez arra a következtetésre vezet, hogy:
A mező gerjesztéséhez a töltés gyorsítása és lassítása szükséges, de a mező fenntartásához nincs szükség a töltés gyorsítására és lassítására.
5. ábra
3. Dipólussugárzás
Megpróbáljuk elmagyarázni azt a mechanizmust, amellyel az elektromos térvonalak elszakadnak az antennától és szabad térhullámokat képeznek, és példának vesszük a dipólantennát. Bár ez egy leegyszerűsített magyarázat, lehetővé teszi az emberek számára, hogy intuitív módon lássák a szabad űrhullámok keletkezését. A 6(a) ábra a dipólus két karja között keletkező elektromos erővonalakat mutatja, amikor az elektromos erővonalak λ∕4-gyel kifelé mozognak a ciklus első negyedében. Ebben a példában tegyük fel, hogy a kialakult elektromos erővonalak száma 3. A ciklus következő negyedében az eredeti három elektromos erővonal további λ∕4-et mozdít el (összesen λ∕2-t a kezdőponttól). és a vezető töltéssűrűsége csökkenni kezd. Ellentétes töltések bevezetésével képződöttnek tekinthető, amelyek a ciklus első felének végén kioltják a vezető töltéseit. Az ellentétes töltések által generált elektromos erővonalak 3, és λ∕4 távolságra mozognak, amit a 6(b) ábra szaggatott vonalai ábrázolnak.
A végeredmény az, hogy három lefelé irányuló elektromos térerővonal van az első λ∕4 távolságban és ugyanennyi felfelé irányuló elektromos térerővonal a második λ∕4 távolságban. Mivel az antennán nincs nettó töltés, az elektromos térerővonalakat kényszeríteni kell, hogy elváljanak a vezetőtől, és egyesüljenek, hogy zárt hurkot alkossanak. Ezt mutatja a 6(c) ábra. A második felében ugyanazt a fizikai folyamatot követik, de vegye figyelembe, hogy az irány ellentétes. Ezt követően a folyamat megismétlődik és korlátlanul folytatódik, a 4. ábrához hasonló elektromos téreloszlást képezve.
6. ábra
Ha többet szeretne megtudni az antennákról, látogasson el a következő oldalra:
Feladás időpontja: 2024. június 20
