Kada je u pitanjuantene, pitanje koje ljude najviše brine je "Kako se zapravo postiže zračenje?" Kako se elektromagnetno polje koje generiše izvor signala širi kroz dalekovod i unutar antene, i konačno "odvaja" od antene formirajući talas u slobodnom prostoru.
1. Zračenje jedne žice
Pretpostavimo da je gustina naelektrisanja, izražena kao qv (Coulomb/m3), ravnomjerno raspoređena u kružnoj žici s površinom poprečnog presjeka a i zapreminom V, kao što je prikazano na Slici 1.
Slika 1
Ukupno naelektrisanje Q u zapremini V kreće se u smjeru z ravnomjernom brzinom Vz (m/s). Može se dokazati da je gustoća struje Jz na poprečnom presjeku žice:
Jz = qv vz （1）
Ako je žica napravljena od idealnog provodnika, gustina struje Js na površini žice je:
Js = qs vz (2)
Gdje je qs gustoća površinskog naboja. Ako je žica vrlo tanka (idealno, radijus je 0), struja u žici može se izraziti kao:
Iz = ql vz (3)
Gdje je ql (kulon/metar) naelektrisanje po jedinici dužine.
Uglavnom se bavimo tankim žicama, a zaključci se primjenjuju na gornja tri slučaja. Ako je struja vremenski promjenjiva, derivacija formule (3) u odnosu na vrijeme je sljedeća:
(4)
az je ubrzanje naboja. Ako je dužina žice l, (4) se može napisati na sljedeći način:
(5)
Jednačina (5) predstavlja osnovni odnos između struje i naboja, a ujedno i osnovni odnos elektromagnetnog zračenja. Jednostavno rečeno, da bi se proizvelo zračenje, mora postojati vremenski promjenjiva struja ili ubrzanje (ili usporavanje) naboja. Obično spominjemo struju u vremenski harmonijskom kretanju, a naboj se najčešće spominje u tranzijentnim primjenama. Da bi se proizvelo ubrzanje (ili usporavanje) naboja, žica mora biti savijena, presavijena i diskontinuirana. Kada naboj oscilira u vremenski harmonijskom kretanju, on će također proizvesti periodično ubrzanje (ili usporavanje) naboja ili vremenski promjenjivu struju. Stoga:
1) Ako se naboj ne kreće, neće biti struje niti zračenja.
2) Ako se naboj kreće konstantnom brzinom:
a. Ako je žica ravna i beskonačne dužine, nema zračenja.
b. Ako je žica savijena, presavijena ili diskontinuirana, kao što je prikazano na Slici 2, postoji zračenje.
3) Ako naelektrisanje osciluje tokom vremena, naelektrisanje će zračiti čak i ako je žica ravna.
Slika 2
Kvalitativno razumijevanje mehanizma zračenja može se dobiti posmatranjem pulsirajućeg izvora spojenog na otvorenu žicu koja se može uzemljiti preko opterećenja na svom otvorenom kraju, kao što je prikazano na Slici 2(d). Kada se žica inicijalno napaja, naboji (slobodni elektroni) u žici se pokreću linijama električnog polja koje generira izvor. Kako se naboji ubrzavaju na kraju izvora žice i usporavaju (negativno ubrzanje u odnosu na prvobitno kretanje) kada se reflektiraju na njenom kraju, na njenim krajevima i duž ostatka žice generira se polje zračenja. Ubrzanje naboja postiže se vanjskim izvorom sile koji pokreće naboje i proizvodi povezano polje zračenja. Usporavanje naboja na krajevima žice postiže se unutrašnjim silama povezanim s induciranim poljem, koje je uzrokovano akumulacijom koncentriranih naboja na krajevima žice. Unutrašnje sile dobijaju energiju od akumulacije naboja kako se njegova brzina smanjuje na nulu na krajevima žice. Stoga su ubrzanje naboja zbog pobuđivanja električnog polja i usporavanje naboja zbog diskontinuiteta ili glatke krivulje impedanse žice mehanizmi za generiranje elektromagnetskog zračenja. Iako su i gustoća struje (Jc) i gustoća naboja (qv) izvorni članovi u Maxwellovim jednačinama, naboj se smatra fundamentalnijom veličinom, posebno za prolazna polja. Iako se ovo objašnjenje zračenja uglavnom koristi za prolazna stanja, može se koristiti i za objašnjenje zračenja u stacionarnom stanju.
Preporučujem nekoliko odličnihantenski proizvodiproizvedeno od straneRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Dvožično zračenje
Spojite izvor napona na dvožilni dalekovod spojen na antenu, kao što je prikazano na slici 3(a). Primjena napona na dvožilni vod generira električno polje između provodnika. Linije električnog polja djeluju na slobodne elektrone (koji se lako odvajaju od atoma) povezane sa svakim provodnikom i prisiljavaju ih na kretanje. Kretanje naboja generira struju, koja zauzvrat generira magnetsko polje.
Slika 3
Prihvatili smo da linije električnog polja počinju pozitivnim nabojima, a završavaju negativnim nabojima. Naravno, one također mogu početi pozitivnim nabojima i završiti u beskonačnosti; ili početi u beskonačnosti i završiti negativnim nabojima; ili formirati zatvorene petlje koje niti počinju niti završavaju bilo kakvim nabojima. Linije magnetskog polja uvijek formiraju zatvorene petlje oko provodnika koji nose struju jer u fizici ne postoje magnetski naboji. U nekim matematičkim formulama, ekvivalentni magnetski naboji i magnetske struje se uvode kako bi se pokazala dualnost između rješenja koja uključuju snagu i magnetske izvore.
Linije električnog polja nacrtane između dva provodnika pomažu u prikazu raspodjele naboja. Ako pretpostavimo da je izvor napona sinusoidan, očekujemo da će i električno polje između provodnika biti sinusoidno s periodom jednakim periodu izvora. Relativna veličina jačine električnog polja predstavljena je gustoćom linija električnog polja, a strelice označavaju relativni smjer (pozitivan ili negativan). Generiranje vremenski promjenjivih električnih i magnetskih polja između provodnika formira elektromagnetski val koji se širi duž dalekovoda, kao što je prikazano na slici 3(a). Elektromagnetski val ulazi u antenu s nabojem i odgovarajućom strujom. Ako uklonimo dio strukture antene, kao što je prikazano na slici 3(b), val slobodnog prostora može se formirati "spajanjem" otvorenih krajeva linija električnog polja (prikazanih isprekidanim linijama). Val slobodnog prostora je također periodičan, ali se tačka konstantne faze P0 kreće prema van brzinom svjetlosti i pređe udaljenost od λ/2 (do P1) za pola vremenskog perioda. U blizini antene, tačka konstantne faze P0 kreće se brže od brzine svjetlosti i približava se brzini svjetlosti u tačkama udaljenim od antene. Slika 4 prikazuje raspodjelu električnog polja antene λ∕2 u slobodnom prostoru pri t = 0, t/8, t/4 i 3T/8.
Slika 4 Raspodjela električnog polja u slobodnom prostoru antene λ∕2 pri t = 0, t/8, t/4 i 3T/8
Nije poznato kako se vođeni valovi odvajaju od antene i na kraju formiraju za širenje u slobodnom prostoru. Vođene i valove slobodnog prostora možemo uporediti s vodenim valovima, koje može uzrokovati kamen ispušten u mirnu vodenu površinu ili na druge načine. Nakon što poremećaj u vodi počne, generiraju se vodeni valovi i počinju se širiti prema van. Čak i ako poremećaj prestane, valovi se ne zaustavljaju, već nastavljaju širiti naprijed. Ako poremećaj traje, stalno se generiraju novi valovi, a širenje ovih valova zaostaje za ostalim valovima.
Isto važi i za elektromagnetne talase generisane električnim poremećajima. Ako je početni električni poremećaj iz izvora kratkog trajanja, generisani elektromagnetni talasi se šire unutar dalekovoda, zatim ulaze u antenu i konačno zrače kao talasi slobodnog prostora, iako pobuđivanje više nije prisutno (baš kao i talasi vode i poremećaj koji su stvorili). Ako je električni poremećaj kontinuiran, elektromagnetni talasi postoje kontinuirano i prate ih tokom širenja, kao što je prikazano na bikonusnoj anteni prikazanoj na slici 5. Kada su elektromagnetni talasi unutar dalekovoda i antena, njihovo postojanje je povezano sa postojanjem električnog naboja unutar provodnika. Međutim, kada se talasi zrače, oni formiraju zatvorenu petlju i ne postoji naboj koji bi održavao njihovo postojanje. To nas dovodi do zaključka da:
Pobuđivanje polja zahtijeva ubrzanje i usporavanje naboja, ali održavanje polja ne zahtijeva ubrzanje i usporavanje naboja.
Slika 5
3. Dipolno zračenje
Pokušavamo objasniti mehanizam kojim se linije električnog polja odvajaju od antene i formiraju valove u slobodnom prostoru, uzimajući dipolnu antenu kao primjer. Iako je to pojednostavljeno objašnjenje, ono također omogućava ljudima da intuitivno vide generiranje valova u slobodnom prostoru. Slika 6(a) prikazuje linije električnog polja generirane između dva kraka dipola kada se linije električnog polja pomjere prema van za λ∕4 u prvoj četvrtini ciklusa. Za ovaj primjer, pretpostavimo da je broj formiranih linija električnog polja 3. U sljedećoj četvrtini ciklusa, prvobitne tri linije električnog polja pomjeraju se za još λ∕4 (ukupno λ∕2 od početne tačke), a gustoća naboja na provodniku počinje da se smanjuje. Može se smatrati da je formirana uvođenjem suprotnih naboja, koji poništavaju naboje na provodniku na kraju prve polovine ciklusa. Linije električnog polja generirane suprotnim nabojima su 3 i pomjeraju se za udaljenost od λ∕4, što je predstavljeno isprekidanim linijama na slici 6(b).
Konačni rezultat je da postoje tri silazne linije električnog polja u prvoj udaljenosti λ∕4 i isti broj uzlaznih linija električnog polja u drugoj udaljenosti λ∕4. Budući da na anteni nema neto naboja, linije električnog polja moraju se prisiliti da se odvoje od provodnika i spoje kako bi formirale zatvorenu petlju. To je prikazano na slici 6(c). U drugoj polovini slijedi se isti fizički proces, ali treba napomenuti da je smjer suprotan. Nakon toga, proces se ponavlja i nastavlja beskonačno, formirajući raspodjelu električnog polja sličnu onoj na slici 4.
Slika 6
Za više informacija o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 20. juni 2024.
