Kai kalbama apieantenos, labiausiai žmones neramina klausimas „Kaip iš tikrųjų pasiekiama spinduliuotė?“. Kaip signalo šaltinio generuojamas elektromagnetinis laukas sklinda perdavimo linija ir antenos viduje, ir galiausiai „atsiskiria“ nuo antenos, sudarydamas laisvos erdvės bangą.
1. Vieno laido spinduliuotė
Tarkime, kad krūvio tankis, išreikštas qv (Kulonai/m3), yra tolygiai pasiskirstęs apskritoje vieloje, kurios skerspjūvio plotas yra a, o tūris – V, kaip parodyta 1 paveiksle.
1 pav.
Bendras krūvis Q tūryje V juda z kryptimi vienodu greičiu Vz (m/s). Galima įrodyti, kad srovės tankis Jz laido skerspjūvyje yra:
Jz = qv vz (1)
Jei laidas pagamintas iš idealaus laidininko, srovės tankis Js laido paviršiuje yra:
Js = qs vz (2)
Kur qs yra paviršiaus krūvio tankis. Jei viela yra labai plona (idealiu atveju spindulys lygus 0), srovė joje gali būti išreikšta taip:
Iz = ql vz (3)
Kur ql (kulonas/metrui) yra krūvis ilgio vienetui.
Daugiausia dėmesio skiriame ploniems laidams, o išvados taikomos visiems trims atvejams. Jei srovė kinta laike, formulės (3) išvestinė laiko atžvilgiu yra tokia:
(4)
az yra krūvio pagreitis. Jei laido ilgis yra l, (4) galima užrašyti taip:
(5)
(5) lygtis yra pagrindinis srovės ir krūvio, taip pat ir pagrindinis elektromagnetinės spinduliuotės santykis. Paprastai tariant, norint sukurti spinduliuotę, turi būti laike kintanti srovė arba krūvio pagreitis (arba lėtėjimas). Paprastai srovę minime laikinės harmonikos taikymuose, o krūvis dažniausiai minimas pereinamųjų procesų taikymuose. Norint sukurti krūvio pagreitį (arba lėtėjimą), viela turi būti sulenkta, sulankstyta ir nutrūkusi. Kai krūvis svyruoja laike harmoniškai, jis taip pat sukurs periodinį krūvio pagreitį (arba lėtėjimą) arba laike kintančią srovę. Todėl:
1) Jei krūvis nejuda, srovės nebus ir spinduliuotės nebus.
2) Jei krūvis juda pastoviu greičiu:
a. Jei laidas tiesus ir begalinio ilgio, spinduliuotės nėra.
b. Jei viela yra sulenkta, sulankstyta arba nutrūkusi, kaip parodyta 2 paveiksle, yra spinduliuotė.
3) Jei krūvis laikui bėgant svyruoja, jis spinduliuos net jei laidas bus tiesus.
2 pav.
Kokybinį spinduliuotės mechanizmo supratimą galima gauti nagrinėjant impulsinio šaltinio, prijungto prie atviro laido, kurį galima įžeminti per apkrovą jo atvirame gale, kaip parodyta 2(d) paveiksle. Kai laidas iš pradžių įjungiamas, jame esantys krūviai (laisvieji elektronai) yra pajudinami šaltinio sukuriamų elektrinio lauko linijų. Kai krūviai laido šaltinio gale greitėja ir lėtėja (neigiamas pagreitis pradinio judėjimo atžvilgiu), kai atsispindi nuo jo galo, jo galuose ir išilgai likusios laido dalies susidaro spinduliuotės laukas. Krūvių greitėjimą užtikrina išorinis jėgos šaltinis, kuris pajudina krūvius ir sukuria su jais susijusį spinduliuotės lauką. Krūvių lėtėjimą laido galuose užtikrina vidinės jėgos, susijusios su indukuotu lauku, kurį sukelia koncentruotų krūvių kaupimasis laido galuose. Vidinės jėgos įgyja energijos iš krūvio kaupimosi, kai jo greitis laido galuose sumažėja iki nulio. Todėl krūvių greitėjimas dėl elektrinio lauko sužadinimo ir krūvių lėtėjimas dėl laido varžos netolygumo arba tolygios kreivės yra elektromagnetinės spinduliuotės generavimo mechanizmai. Nors Maksvelo lygtyse ir srovės tankis (Jc), ir krūvio tankis (qv) yra šaltinių dėmenys, krūvis laikomas fundamentalesniu dydžiu, ypač pereinamųjų laukų atveju. Nors šis spinduliuotės paaiškinimas daugiausia naudojamas pereinamosioms būsenoms, jis taip pat gali būti naudojamas paaiškinti ir stacionariąją spinduliuotę.
Rekomenduokite keletą puikiųantenų produktaigamintojasRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8–2 GHz)
RM-SWA910-22 (9–10 GHz)
2. Dviejų laidų spinduliuotė
Prijunkite įtampos šaltinį prie dviejų laidininkų perdavimo linijos, prijungtos prie antenos, kaip parodyta 3(a) paveiksle. Įtampai prijungus prie dviejų laidininkų linijos, tarp laidininkų susidaro elektrinis laukas. Elektrinio lauko linijos veikia prie kiekvieno laidininko prijungtus laisvuosius elektronus (lengvai atskiriamus nuo atomų) ir verčia juos judėti. Krūvių judėjimas sukuria srovę, kuri savo ruožtu sukuria magnetinį lauką.
3 pav.
Mes sutinkame, kad elektrinio lauko linijos prasideda teigiamais krūviais ir baigiasi neigiamais krūviais. Žinoma, jos taip pat gali prasidėti teigiamais krūviais ir baigtis begalybėje; arba prasidėti begalybėje ir baigtis neigiamais krūviais; arba sudaryti uždaras kilpas, kurios nei prasideda, nei baigiasi jokiais krūviais. Magnetinio lauko linijos visada sudaro uždaras kilpas aplink srovę tekančius laidininkus, nes fizikoje nėra magnetinių krūvių. Kai kuriose matematinėse formulėse ekvivalentiški magnetiniai krūviai ir magnetinės srovės yra įvedami siekiant parodyti dvilypumą tarp sprendimų, susijusių su galia ir magnetiniais šaltiniais.
Tarp dviejų laidininkų nubrėžtos elektrinio lauko linijos padeda parodyti krūvio pasiskirstymą. Jei darysime prielaidą, kad įtampos šaltinis yra sinusoidinis, tikimės, kad elektrinis laukas tarp laidininkų taip pat bus sinusoidinis, o jo periodas bus lygus šaltinio periodui. Santykinį elektrinio lauko stiprumo dydį parodo elektrinio lauko linijų tankis, o rodyklės rodo santykinę kryptį (teigiamą arba neigiamą). Laike kintančių elektrinių ir magnetinių laukų susidarymas tarp laidininkų sudaro elektromagnetinę bangą, kuri sklinda perdavimo linija, kaip parodyta 3(a) paveiksle. Elektromagnetinė banga patenka į anteną su krūviu ir atitinkama srove. Jei pašalinsime dalį antenos konstrukcijos, kaip parodyta 3(b) paveiksle, laisvos erdvės banga gali būti suformuota „sujungus“ atvirus elektrinio lauko linijų galus (parodyta punktyrinėmis linijomis). Laisvos erdvės banga taip pat yra periodinė, tačiau pastovios fazės taškas P0 juda į išorę šviesos greičiu ir per pusę laiko periodo nukeliauja λ/2 atstumą (iki P1). Netoli antenos pastovios fazės taškas P0 juda greičiau nei šviesos greitis ir artėja prie šviesos greičio taškuose, esančiuose toli nuo antenos. 4 paveiksle parodytas λ∕2 antenos laisvos erdvės elektrinio lauko pasiskirstymas, kai t = 0, t/8, t/4 ir 3T/8.
4 pav. λ∕2 antenos laisvos erdvės elektrinio lauko pasiskirstymas, kai t = 0, t/8, t/4 ir 3T/8
Nėra žinoma, kaip nukreiptosios bangos yra atskiriamos nuo antenos ir galiausiai suformuojamos sklisti laisvoje erdvėje. Galime palyginti nukreiptąsias ir laisvos erdvės bangas su vandens bangomis, kurias gali sukelti į ramų vandens telkinį numestas akmuo ar kitais būdais. Prasidėjus trikdžiams vandenyje, susidaro vandens bangos ir pradeda sklisti į išorę. Net jei trikdžiai sustoja, bangos nesustoja, o toliau sklinda į priekį. Jei trikdžiai išlieka, nuolat susidaro naujos bangos, o šių bangų sklidimas atsilieka nuo kitų bangų.
Tas pats pasakytina ir apie elektromagnetines bangas, kurias sukelia elektriniai trikdžiai. Jei pradinis šaltinio sukeliamas elektrinis trikdis yra trumpalaikis, susidariusios elektromagnetinės bangos sklinda perdavimo linijos viduje, tada patenka į anteną ir galiausiai spinduliuoja kaip laisvos erdvės bangos, net jei sužadinimo nebėra (kaip ir vandens bangos ir jų sukelti trikdžiai). Jei elektrinis trikdis yra nuolatinis, elektromagnetinės bangos egzistuoja nuolat ir sklidimo metu seka jas iš karto, kaip parodyta 5 paveiksle parodytoje dvikūginėje antenoje. Kai elektromagnetinės bangos yra perdavimo linijų ir antenų viduje, jų egzistavimas yra susijęs su elektros krūvio buvimu laidininko viduje. Tačiau kai bangos spinduliuoja, jos sudaro uždarą kilpą ir nėra krūvio, kuris jas palaikytų. Tai leidžia daryti išvadą, kad:
Lauko sužadinimui reikalingas krūvio greitėjimas ir lėtėjimas, tačiau lauko palaikymui krūvio greitėjimo ir lėtėjimo nereikia.
5 pav.
3. Dipolio spinduliuotė
Bandome paaiškinti mechanizmą, kuriuo elektrinio lauko linijos atitrūksta nuo antenos ir suformuoja laisvos erdvės bangas, ir kaip pavyzdį pateikiame dipolinę anteną. Nors tai supaprastintas paaiškinimas, jis taip pat leidžia žmonėms intuityviai matyti laisvos erdvės bangų susidarymą. 6(a) paveiksle parodytos elektrinio lauko linijos, susidarančios tarp dviejų dipolio atšakų, kai elektrinio lauko linijos pirmajame ciklo ketvirtyje pasislenka į išorę λ∕4 atstumu. Šiame pavyzdyje tarkime, kad susidariusių elektrinio lauko linijų skaičius yra 3. Kitame ciklo ketvirtyje pradinės trys elektrinio lauko linijos pasislenka dar λ∕4 atstumu (iš viso λ∕2 nuo pradinio taško), o krūvio tankis ant laidininko pradeda mažėti. Galima laikyti, kad jis susidaro įvedus priešingus krūvius, kurie panaikina krūvius ant laidininko pirmosios ciklo pusės pabaigoje. Priešingų krūvių sukuriamos elektrinio lauko linijos yra 3 ir pasislenka λ∕4 atstumu, kurį 6(b) paveiksle vaizduoja punktyrinės linijos.
Galutinis rezultatas yra tas, kad pirmajame λ∕4 atstume yra trys žemyn nukreiptos elektrinio lauko linijos, o antrajame λ∕4 atstume yra tiek pat aukštyn nukreiptų elektrinio lauko linijų. Kadangi antenoje nėra grynojo krūvio, elektrinio lauko linijos turi būti priverstos atsiskirti nuo laidininko ir susijungti, sudarydamos uždarą kilpą. Tai parodyta 6(c) paveiksle. Antroje pusėje kartojamas tas pats fizikinis procesas, tačiau atkreipkite dėmesį, kad kryptis yra priešinga. Po to procesas kartojasi ir tęsiasi neribotą laiką, sudarant elektrinio lauko pasiskirstymą, panašų į 4 paveiksle pavaizduotą.
6 pav.
Norėdami sužinoti daugiau apie antenas, apsilankykite:
Įrašo laikas: 2024 m. birželio 20 d.
