Kun on kyseantennit, kysymys, josta ihmiset ovat eniten huolissaan, on "Miten säteily todella saavutetaan?"Miten signaalilähteen tuottama sähkömagneettinen kenttä etenee siirtojohdon läpi ja antennin sisällä ja lopulta "erottuu" antennista muodostaen vapaan avaruusaallon.
1. Yksilankainen säteily
Oletetaan, että varaustiheys ilmaistuna qv:nä (Coulomb/m3) jakautuu tasaisesti pyöreässä langassa, jonka poikkileikkauspinta-ala on a ja tilavuus V, kuten kuvassa 1 näkyy.
Kuvio 1
Kokonaisvaraus Q tilavuudessa V liikkuu z-suunnassa tasaisella nopeudella Vz (m/s).Voidaan osoittaa, että virrantiheys Jz langan poikkileikkauksella on:
Jz = qv vz （1)
Jos lanka on valmistettu ihanteellisesta johtimesta, virrantiheys Js langan pinnalla on:
Js = qs vz （2)
Missä qs on pintavarauksen tiheys.Jos lanka on erittäin ohut (ihannetapauksessa säde on 0), johdossa oleva virta voidaan ilmaista seuraavasti:
Iz = ql vz (3)
Missä ql (coulomb/meter) on maksu pituusyksikköä kohti.
Käsittelemme pääasiassa ohuita johtimia, ja päätelmät pätevät yllä oleviin kolmeen tapaukseen.Jos virta on ajallisesti vaihteleva, kaavan (3) derivaatta ajan suhteen on seuraava:
(4)
az on latauksen kiihtyvyys.Jos langan pituus on l, (4) voidaan kirjoittaa seuraavasti:
(5)
Yhtälö (5) on perussuhde virran ja varauksen välillä sekä myös sähkömagneettisen säteilyn perussuhde.Yksinkertaisesti sanottuna säteilyn tuottamiseksi täytyy olla ajan suhteen vaihteleva virta tai varauksen kiihtyvyys (tai hidastuminen).Yleensä mainitaan virta aikaharmonisissa sovelluksissa ja lataus useimmiten transienttisovelluksissa.Varauksen kiihtyvyyden (tai hidastumisen) aikaansaamiseksi lanka on taivutettava, taitettava ja epäjatkuva.Kun varaus värähtelee aikaharmonisessa liikkeessä, se tuottaa myös jaksottaista varauskiihtyvyyttä (tai hidastuvuutta) tai ajassa muuttuvaa virtaa.Siksi:
1) Jos varaus ei liiku, ei ole virtaa eikä säteilyä.
2) Jos lataus liikkuu tasaisella nopeudella:
a.Jos lanka on suora ja äärettömän pitkä, säteilyä ei ole.
b.Jos lanka on taipunut, taittunut tai epäjatkuva, kuten kuvassa 2, säteilyä esiintyy.
3) Jos varaus värähtelee ajan myötä, varaus säteilee, vaikka lanka olisi suora.
Kuva 2
Laadullinen ymmärrys säteilymekanismista voidaan saada tarkastelemalla pulssilähdettä, joka on kytketty avoimeen johtoon, joka voidaan maadoittaa kuormalla sen avoimessa päässä, kuten kuvassa 2(d).Kun lanka on alun perin jännitteellinen, johdossa olevat varaukset (vapaat elektronit) saatetaan liikkeelle lähteen synnyttämien sähkökenttälinjojen avulla.Kun varaukset kiihtyvät langan lähdepäässä ja hidastuvat (negatiivinen kiihtyvyys suhteessa alkuperäiseen liikkeeseen), kun ne heijastuvat sen päästä, syntyy säteilykenttä sen päihin ja langan loppuosaan.Varausten kiihtyvyys saadaan aikaan ulkoisella voimanlähteellä, joka saa varaukset liikkeelle ja tuottaa niihin liittyvän säteilykentän.Varausten hidastuminen langan päissä saadaan aikaan indusoituneeseen kenttään liittyvillä sisäisillä voimilla, jotka aiheutuvat keskittyneiden varausten kerääntymisestä langan päihin.Sisäiset voimat saavat energiaa varauksen kertymisestä, kun sen nopeus laskee nollaan langan päissä.Siksi sähkökentän virittymisestä johtuva varausten kiihtyvyys ja lankaimpedanssin epäjatkuvuudesta tai tasaisesta käyrästä johtuva varausten hidastuminen ovat mekanismeja sähkömagneettisen säteilyn tuottamiseksi.Vaikka sekä virrantiheys (Jc) että varaustiheys (qv) ovat lähdetermejä Maxwellin yhtälöissä, varausta pidetään perustavanlaatuisempana suureena erityisesti transienttikentillä.Vaikka tätä säteilyn selitystä käytetään pääasiassa ohimenevien tilojen yhteydessä, sitä voidaan käyttää myös vakaan tilan säteilyn selittämiseen.
Suosittele useita erinomaisiaantennituotteetvalmistanutRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Kaksijohtiminen säteily
Liitä jännitelähde antenniin kytkettyyn kaksijohtimiseen siirtolinjaan kuvan 3(a) mukaisesti.Jännitteen syöttäminen kaksijohtimiseen muodostaa sähkökentän johtimien väliin.Sähkökenttäviivat vaikuttavat kuhunkin johtimeen kytkettyihin vapaisiin elektroneihin (helposti erottuviin atomeista) ja pakottavat ne liikkumaan.Varausten liike synnyttää virtaa, joka puolestaan synnyttää magneettikentän.
Kuva 3
Olemme hyväksyneet sen, että sähkökenttäviivat alkavat positiivisilla varauksilla ja päättyvät negatiivisiin varauksiin.Tietenkin ne voivat myös alkaa positiivisilla varauksilla ja päättyä äärettömyyteen;tai alkaa äärettömyydestä ja päättyy negatiivisiin varauksiin;tai muodostaa suljettuja silmukoita, jotka eivät ala tai pääty mihinkään maksuihin.Magneettikenttäviivat muodostavat aina suljettuja silmukoita virtaa kuljettavien johtimien ympärille, koska fysiikassa ei ole magneettisia varauksia.Joissakin matemaattisissa kaavoissa ekvivalentit magneettivaraukset ja magneettivirrat otetaan käyttöön osoittamaan kaksinaisuutta tehon ja magneettisten lähteiden ratkaisujen välillä.
Kahden johtimen väliin vedetyt sähkökenttäviivat auttavat osoittamaan varauksen jakautumisen.Jos oletetaan, että jännitelähde on sinimuotoinen, odotamme myös johtimien välisen sähkökentän olevan sinimuotoinen jakson verran sama kuin lähteen.Sähkökentän voimakkuuden suhteellista suuruutta edustaa sähkökenttäviivojen tiheys, ja nuolet osoittavat suhteellista suuntaa (positiivinen tai negatiivinen).Ajassa muuttuvien sähkö- ja magneettikenttien muodostuminen johtimien välillä muodostaa sähkömagneettisen aallon, joka etenee siirtolinjaa pitkin, kuten kuvassa 3(a).Sähkömagneettinen aalto tulee antenniin varauksella ja vastaavalla virralla.Jos poistamme osan antennirakenteesta, kuten kuvassa 3(b), vapaan tilan aalto voidaan muodostaa "liittämällä" sähkökenttäviivojen avoimet päät (näkyy katkoviivoilla).Vapaan tilan aalto on myös jaksollinen, mutta vakiovaiheinen piste P0 liikkuu ulospäin valon nopeudella ja kulkee λ/2:n matkan (pisteeseen P1) puolessa ajassa.Antennin lähellä vakiovaihepiste P0 liikkuu valon nopeutta nopeammin ja lähestyy valon nopeutta antennista kaukana olevissa kohdissa.Kuvassa 4 on esitetty λ∕2-antennin vapaan tilan sähkökenttäjakauma, kun t = 0, t/8, t/4 ja 3T/8.
Kuva 4 λ∕2-antennin vapaan tilan sähkökenttäjakauma, kun t = 0, t/8, t/4 ja 3T/8
Ei tiedetä, kuinka ohjatut aallot erotetaan antennista ja lopulta muodostetaan etenemään vapaassa tilassa.Ohjattuja ja vapaan avaruuden aaltoja voidaan verrata vesiaalloihin, jotka voivat aiheutua tyynessä vesistössä pudotusta kivestä tai muuten.Kun häiriö vedessä alkaa, syntyy vesiaaltoja, jotka alkavat levitä ulospäin.Vaikka häiriö loppuisi, aallot eivät pysähdy, vaan jatkavat etenemistä eteenpäin.Jos häiriö jatkuu, syntyy jatkuvasti uusia aaltoja ja näiden aaltojen eteneminen jää jälkeen muista aalloista.
Sama koskee sähköhäiriöiden synnyttämiä sähkömagneettisia aaltoja.Jos lähteestä tuleva sähköinen alkuhäiriö on lyhytkestoinen, syntyvät sähkömagneettiset aallot etenevät siirtojohdon sisällä, menevät sitten antenniin ja lopulta säteilevät vapaan tilan aaltoina, vaikka viritystä ei enää ole (kuten vesiaallot). ja niiden aiheuttama häiriö).Jos sähköinen häiriö on jatkuvaa, sähkömagneettiset aallot ovat jatkuvasti olemassa ja seuraavat tiiviisti niiden takana etenemisen aikana, kuten kuvassa 5 näkyvä kaksoiskartioantenni osoittaa. Kun sähkömagneettiset aallot ovat siirtolinjojen ja antennien sisällä, niiden olemassaolo liittyy sähköisten aaltojen olemassaoloon. lataus johtimen sisällä.Kuitenkin, kun aallot säteilevät, ne muodostavat suljetun silmukan, eikä niiden olemassaolon ylläpitämiseksi ole varausta.Tämä johtaa meidät siihen johtopäätökseen, että:
Kentän herättäminen vaatii varauksen kiihdytystä ja hidastamista, mutta kentän ylläpito ei vaadi varauksen kiihdytystä ja hidastamista.
Kuva 5
3. Dipolisäteily
Yritämme selittää mekanismia, jolla sähkökenttäviivat irtautuvat antennista ja muodostavat vapaan tilan aaltoja, ja otamme esimerkkinä dipoliantennin.Vaikka se on yksinkertaistettu selitys, sen avulla ihmiset voivat myös intuitiivisesti nähdä vapaan tilan aaltojen syntymisen.Kuva 6(a) esittää sähkökenttäviivat, jotka syntyvät dipolin kahden haaran väliin, kun sähkökenttäviivat liikkuvat ulospäin λ∕4 jakson ensimmäisen neljänneksen aikana.Tässä esimerkissä oletetaan, että muodostuneiden sähkökenttäviivojen lukumäärä on 3. Jakson seuraavalla neljänneksellä alkuperäiset kolme sähkökenttäviivaa siirtyvät vielä λ∕4 (yhteensä λ∕2 lähtöpisteestä), ja johtimen varaustiheys alkaa pienentyä.Sen voidaan katsoa muodostuneen vastakkaisten varausten avulla, jotka kumoavat johtimen varaukset syklin ensimmäisen puoliskon lopussa.Vastakkaisten varausten synnyttämät sähkökenttäviivat ovat 3 ja liikkuvat etäisyyden λ∕4, joka on esitetty katkoviivoilla kuvassa 6(b).
Lopputulos on, että ensimmäisellä λ∕4 etäisyydellä on kolme alaspäin suuntautuvaa sähkökenttäviivaa ja sama määrä ylöspäin suuntautuvia sähkökenttäviivoja toisella λ∕4 etäisyydellä.Koska antennissa ei ole nettovarausta, sähkökenttäviivat on pakotettava eroamaan johtimesta ja yhdistymään yhteen muodostamaan suljetun silmukan.Tämä on esitetty kuvassa 6(c).Toisella puoliskolla seurataan samaa fyysistä prosessia, mutta huomaa, että suunta on päinvastainen.Sen jälkeen prosessi toistetaan ja jatkuu loputtomiin muodostaen kuvan 4 kaltaisen sähkökenttäjakauman.
Kuva 6
Lisätietoja antenneista on osoitteessa:
Postitusaika: 20.6.2024
