Když jde oantény, otázka, která lidi nejvíce znepokojuje, je „Jak se vlastně dosahuje záření?“ Jak se elektromagnetické pole generované zdrojem signálu šíří přenosovým vedením a uvnitř antény a nakonec se „odděluje“ od antény a vytváří vlnu ve volném prostoru.
1. Záření z jednoho drátu
Předpokládejme, že hustota náboje, vyjádřená jako qv (Coulomb/m3), je rovnoměrně rozložena v kruhovém drátu s plochou průřezu a a objemem V, jak je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1
Celkový náboj Q v objemu V se pohybuje ve směru z rovnoměrnou rychlostí Vz (m/s). Lze dokázat, že hustota proudu Jz na průřezu drátu je:
Jz = qv vz （1）
Pokud je drát vyroben z ideálního vodiče, hustota proudu Js na jeho povrchu je:
Js = qs vz (2)
Kde qs je hustota povrchového náboje. Pokud je drát velmi tenký (ideálně s poloměrem 0), lze proud v něm vyjádřit jako:
Iz = ql vz (3)
Kde ql (coulomb/metr) je náboj na jednotku délky.
Zabýváme se hlavně tenkými dráty a závěry platí pro výše uvedené tři případy. Pokud je proud časově proměnný, derivace vzorce (3) vzhledem k času je následující:
(4)
az je zrychlení náboje. Pokud je délka drátu l, lze rovnici (4) zapsat následovně:
(5)
Rovnice (5) je základním vztahem mezi proudem a nábojem a také základním vztahem elektromagnetického záření. Jednoduše řečeno, k vytvoření záření musí existovat časově proměnný proud nebo zrychlení (nebo zpomalení) náboje. Proud obvykle zmiňujeme v časově harmonických aplikacích a náboj se nejčastěji zmiňuje v přechodových aplikacích. Aby se vytvořilo zrychlení (nebo zpomalení) náboje, musí být vodič ohnutý, přeložený a nespojitý. Když náboj osciluje v časově harmonickém pohybu, bude také produkovat periodické zrychlení (nebo zpomalení) náboje nebo časově proměnný proud. Proto:
1) Pokud se náboj nepohybuje, nebude protékat proud ani záření.
2) Pokud se náboj pohybuje konstantní rychlostí:
a. Pokud je vodič rovný a nekonečně dlouhý, nedochází k žádnému záření.
b. Pokud je drát ohnutý, přeložený nebo nespojitý, jak je znázorněno na obrázku 2, dochází k záření.
3) Pokud náboj v průběhu času osciluje, bude vyzařovat, i když je vodič rovný.
Obrázek 2
Kvalitativní pochopení mechanismu záření lze získat pohledem na pulzní zdroj připojený k otevřenému vodiči, který lze uzemnit prostřednictvím zátěže na jeho otevřeném konci, jak je znázorněno na obrázku 2(d). Když je vodič zpočátku napájen, náboje (volné elektrony) v něm se uvedou do pohybu siločarami elektrického pole generovanými zdrojem. Jak jsou náboje na konci vodiče urychlovány na zdrojovém konci a zpomalovány (záporné zrychlení vzhledem k původnímu pohybu) při odrazu na jeho konci, generuje se na jeho koncích a podél zbytku vodiče radiační pole. Zrychlení nábojů je dosaženo vnějším zdrojem síly, který uvádí náboje do pohybu a vytváří související radiační pole. Zpomalení nábojů na koncích vodiče je dosaženo vnitřními silami spojenými s indukovaným polem, které je způsobeno akumulací koncentrovaných nábojů na koncích vodiče. Vnitřní síly získávají energii z akumulace náboje, jak jeho rychlost klesá na nulu na koncích vodiče. Zrychlení nábojů v důsledku buzení elektrickým polem a zpomalení nábojů v důsledku diskontinuity nebo hladké křivky impedance vodiče jsou tedy mechanismy pro generování elektromagnetického záření. Ačkoli jak hustota proudu (Jc), tak hustota náboje (qv) jsou zdrojovými členy v Maxwellových rovnicích, náboj je považován za fundamentálnější veličinu, zejména pro přechodová pole. Ačkoli se toto vysvětlení záření používá hlavně pro přechodové stavy, lze jej použít i k vysvětlení záření v ustáleném stavu.
Doporučuji několik vynikajícíchanténní produktyvyrobeno společnostíRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8–2 GHz)
RM-SWA910-22 (9–10 GHz)
2. Dvouvodičové záření
Připojte zdroj napětí k dvouvodičovému přenosovému vedení připojenému k anténě, jak je znázorněno na obrázku 3(a). Přivedením napětí na dvouvodičové vedení se mezi vodiči vytvoří elektrické pole. Čáry elektrického pole působí na volné elektrony (snadno oddělitelné od atomů) připojené ke každému vodiči a nutí je k pohybu. Pohyb nábojů generuje proud, který následně generuje magnetické pole.
Obrázek 3
Přijali jsme, že siločáry elektrického pole začínají kladnými náboji a končí zápornými náboji. Samozřejmě mohou také začínat kladnými náboji a končit v nekonečnu; nebo začínat v nekonečnu a končit zápornými náboji; nebo tvořit uzavřené smyčky, které ani nezačínají, ani nekončí žádnými náboji. Magnetické siločáry vždy tvoří uzavřené smyčky kolem vodičů s proudem, protože ve fyzice neexistují žádné magnetické náboje. V některých matematických vzorcích se zavádějí ekvivalentní magnetické náboje a magnetické proudy, aby se ukázala dualita mezi řešeními zahrnujícími energii a magnetické zdroje.
Siločáry elektrického pole mezi dvěma vodiči pomáhají znázornit rozložení náboje. Pokud předpokládáme, že zdroj napětí je sinusový, očekáváme, že elektrické pole mezi vodiči bude také sinusové s periodou rovnou periodě zdroje. Relativní velikost intenzity elektrického pole je reprezentována hustotou siločar elektrického pole a šipky označují relativní směr (kladný nebo záporný). Generování časově proměnných elektrických a magnetických polí mezi vodiči vytváří elektromagnetickou vlnu, která se šíří podél přenosového vedení, jak je znázorněno na obrázku 3(a). Elektromagnetická vlna vstupuje do antény s nábojem a odpovídajícím proudem. Pokud odstraníme část konstrukce antény, jak je znázorněno na obrázku 3(b), lze vytvořit vlnu ve volném prostoru „propojením“ otevřených konců siločar elektrického pole (znázorněno tečkovanými čarami). Vlna ve volném prostoru je také periodická, ale bod s konstantní fází P0 se pohybuje směrem ven rychlostí světla a urazí vzdálenost λ/2 (k P1) za poloviční časovou periodu. V blízkosti antény se bod P0 s konstantní fází pohybuje rychleji než rychlost světla a blíží se rychlosti světla v bodech daleko od antény. Obrázek 4 ukazuje rozložení elektrického pole antény λ/2 ve volném prostoru v časech t = 0, t/8, t/4 a 3T/8.
Obrázek 4 Rozložení elektrického pole antény λ/2 ve volném prostoru v časech t = 0, t/8, t/4 a 3T/8
Není známo, jak se vedené vlny oddělují od antény a nakonec se formují tak, aby se šířily ve volném prostoru. Vedené vlny ve volném prostoru můžeme přirovnat k vodním vlnám, které mohou být způsobeny kamenem shozeným do klidné vodní plochy nebo jinými způsoby. Jakmile začne porucha ve vodě, generují se vodní vlny a začnou se šířit směrem ven. I když porucha ustane, vlny se nezastaví, ale šíří se dále dopředu. Pokud porucha přetrvává, neustále se generují nové vlny a šíření těchto vln zaostává za ostatními vlnami.
Totéž platí pro elektromagnetické vlny generované elektrickým rušením. Pokud je počáteční elektrické rušení ze zdroje krátké, generované elektromagnetické vlny se šíří uvnitř přenosového vedení, poté vstoupí do antény a nakonec vyzařují jako vlny ve volném prostoru, i když excitace již není přítomna (stejně jako vodní vlny a rušení, které způsobily). Pokud je elektrické rušení kontinuální, elektromagnetické vlny existují kontinuálně a během šíření je těsně následují, jak je znázorněno na bikónické anténě na obrázku 5. Když se elektromagnetické vlny nacházejí uvnitř přenosového vedení a antén, jejich existence souvisí s existencí elektrického náboje uvnitř vodiče. Když jsou však vlny vyzařovány, tvoří uzavřenou smyčku a neexistuje žádný náboj, který by udržoval jejich existenci. To nás vede k závěru, že:
Buzení pole vyžaduje zrychlení a zpomalení náboje, ale udržování pole zrychlení a zpomalení náboje nevyžaduje.
Obrázek 5
3. Dipólové záření
Pokusíme se vysvětlit mechanismus, kterým se siločáry elektrického pole oddělují od antény a tvoří vlny ve volném prostoru, a jako příklad vezmeme dipólovou anténu. I když se jedná o zjednodušené vysvětlení, umožňuje také intuitivně vidět generování vln ve volném prostoru. Obrázek 6(a) ukazuje siločáry elektrického pole generované mezi dvěma rameny dipólu, když se siločáry elektrického pole v první čtvrtině cyklu posunou směrem ven o λ/4. Pro tento příklad předpokládejme, že počet vytvořených siločár elektrických polí je 3. V další čtvrtině cyklu se původní tři siločáry elektrického pole posunou o další λ/4 (celkem o λ/2 od počátečního bodu) a hustota náboje na vodiči se začne snižovat. Lze to považovat za vznik siločár v důsledku zavedení opačných nábojů, které se na konci první poloviny cyklu vyruší. Siločáry elektrického pole generované opačnými náboji jsou 3 a posunou se o vzdálenost λ/4, která je znázorněna tečkovanými čarami na obrázku 6(b).
Konečným výsledkem je, že v první vzdálenosti λ/4 jsou tři siločary směřující dolů a v druhé vzdálenosti λ/4 stejný počet siločar směřujících nahoru. Protože na anténě není žádný celkový náboj, musí být siločary elektrického pole nuceny oddělit se od vodiče a spojit se dohromady, aby vytvořily uzavřenou smyčku. To je znázorněno na obrázku 6(c). Ve druhé polovině se sleduje stejný fyzikální proces, ale všimněte si, že směr je opačný. Poté se proces opakuje a pokračuje donekonečna, čímž se vytvoří rozložení elektrického pole podobné obrázku 4.
Obrázek 6
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte prosím:
Čas zveřejnění: 20. června 2024
