Ko gre zaantene, vprašanje, ki ljudi najbolj skrbi, je "Kako se dejansko doseže sevanje?" Kako se elektromagnetno polje, ki ga ustvarja vir signala, širi po daljnovodu in znotraj antene ter se končno "loči" od antene in tvori valovanje prostega prostora.
1. Sevanje z eno žico
Predpostavimo, da je gostota naboja, izražena kot qv (Coulomb/m3), enakomerno porazdeljena v krožni žici s prečnim prerezom a in prostornino V, kot je prikazano na sliki 1.
Slika 1
Skupni naboj Q v prostornini V se giblje v smeri z z enakomerno hitrostjo Vz (m/s). Dokažemo lahko, da je gostota toka Jz na prečnem prerezu žice:
Jz = qv vz (1)
Če je žica narejena iz idealnega prevodnika, je gostota toka Js na površini žice:
Js = qs vz (2)
Kjer je qs gostota površinskega naboja. Če je žica zelo tanka (idealno je, če je polmer 0), lahko tok v žici izrazimo kot:
Iz = ql vz (3)
Kjer je ql (coulomb/meter) naboj na enoto dolžine.
Ukvarjamo se predvsem s tankimi žicami, sklepi pa veljajo za zgornje tri primere. Če je tok časovno spremenljiv, je odvod formule (3) glede na čas naslednji:
(4)
az je pospešek naboja. Če je dolžina žice l, lahko (4) zapišemo na naslednji način:
(5)
Enačba (5) je osnovni odnos med tokom in nabojem ter tudi osnovni odnos elektromagnetnega sevanja. Preprosto povedano, za nastanek sevanja mora obstajati časovno spremenljiv tok ali pospešek (ali pojemek) naboja. Tok običajno omenjamo v časovno harmoničnih aplikacijah, naboj pa najpogosteje v prehodnih aplikacijah. Da bi povzročili pospešek (ali pojemek) naboja, mora biti žica upognjena, prepognjena in diskontinuirana. Ko naboj niha v časovno harmoničnem gibanju, bo povzročil tudi periodični pospešek (ali pojemek) naboja ali časovno spremenljiv tok. Zato:
1) Če se naboj ne premika, ne bo toka in ne bo sevanja.
2) Če se naboj giblje s konstantno hitrostjo:
a. Če je žica ravna in neskončne dolžine, ni sevanja.
b. Če je žica upognjena, prepognjena ali prekinjena, kot je prikazano na sliki 2, pride do sevanja.
3) Če naboj sčasoma niha, bo seval, tudi če je žica ravna.
Slika 2
Kvalitativno razumevanje mehanizma sevanja lahko dobimo z opazovanjem impulznega vira, priključenega na odprto žico, ki jo je mogoče ozemljiti preko obremenitve na njenem odprtem koncu, kot je prikazano na sliki 2(d). Ko je žica prvotno napolnjena, se naboji (prosti elektroni) v žici sprožijo zaradi linij električnega polja, ki jih ustvarja vir. Ko se naboji pospešijo na izvornem koncu žice in upočasnijo (negativni pospešek glede na prvotno gibanje), ko se odbijejo na njenem koncu, se na njenih koncih in vzdolž preostale žice ustvari sevalno polje. Pospešek nabojev doseže zunanji vir sile, ki sproži gibanje nabojev in ustvari povezano sevalno polje. Upočasnitev nabojev na koncih žice dosežejo notranje sile, povezane z induciranim poljem, ki ga povzroča kopičenje koncentriranih nabojev na koncih žice. Notranje sile pridobivajo energijo iz kopičenja naboja, ko se njegova hitrost na koncih žice zmanjša na nič. Zato sta pospešek nabojev zaradi vzbujanja električnega polja in pojemanje nabojev zaradi diskontinuitete ali gladke krivulje impedance žice mehanizma za nastanek elektromagnetnega sevanja. Čeprav sta tako gostota toka (Jc) kot gostota naboja (qv) izvorna člena v Maxwellovih enačbah, velja naboj za bolj temeljno količino, zlasti za prehodna polja. Čeprav se ta razlaga sevanja uporablja predvsem za prehodna stanja, jo je mogoče uporabiti tudi za razlago sevanja v ustaljenem stanju.
Priporočam več odličnihantenski izdelkiizdelano s straniRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8–2 GHz)
RM-SWA910-22 (9–10 GHz)
2. Dvožično sevanje
Na dvožilni daljnovod, priključen na anteno, priključite vir napetosti, kot je prikazano na sliki 3(a). Z dovajanjem napetosti na dvožilni vod se ustvari električno polje med vodniki. Linije električnega polja delujejo na proste elektrone (ki se zlahka ločijo od atomov), priključene na vsak vodnik, in jih silijo v gibanje. Gibanje nabojev ustvarja tok, ki nato ustvarja magnetno polje.
Slika 3
Sprejeli smo, da se silnice električnega polja začnejo s pozitivnimi naboji in končajo z negativnimi naboji. Seveda se lahko začnejo tudi s pozitivnimi naboji in končajo v neskončnosti; ali pa se začnejo v neskončnosti in končajo z negativnimi naboji; ali pa tvorijo zaprte zanke, ki se ne začnejo in ne končajo z nobenim nabojem. Silnice magnetnega polja vedno tvorijo zaprte zanke okoli prevodnikov, po katerih teče tok, ker v fiziki ni magnetnih nabojev. V nekaterih matematičnih formulah so uvedeni ekvivalentni magnetni naboji in magnetni tokovi, da se pokaže dvojnost med rešitvami, ki vključujejo moč in magnetne vire.
Linije električnega polja, narisane med dvema vodnikoma, pomagajo prikazati porazdelitev naboja. Če predpostavimo, da je vir napetosti sinusoiden, pričakujemo, da bo tudi električno polje med vodniki sinusoidno s periodo, enako periodi vira. Relativna velikost jakosti električnega polja je predstavljena z gostoto linij električnega polja, puščice pa označujejo relativno smer (pozitivno ali negativno). Generiranje časovno spremenljivih električnih in magnetnih polj med vodniki tvori elektromagnetno valovanje, ki se širi vzdolž daljnovoda, kot je prikazano na sliki 3(a). Elektromagnetno valovanje vstopi v anteno z nabojem in ustreznim tokom. Če odstranimo del strukture antene, kot je prikazano na sliki 3(b), lahko z "povezovanjem" odprtih koncev linij električnega polja (prikazanih s pikčastimi črtami) nastane val v prostem prostoru. Val v prostem prostoru je prav tako periodičen, vendar se točka s konstantno fazo P0 premika navzven s svetlobno hitrostjo in v polovici časovnega obdobja prepotuje razdaljo λ/2 (do P1). V bližini antene se točka P0 s konstantno fazo premika hitreje od svetlobne hitrosti in se približuje svetlobni hitrosti v točkah daleč od antene. Slika 4 prikazuje porazdelitev električnega polja antene λ/2 v prostem prostoru pri t = 0, t/8, t/4 in 3T/8.
Slika 4 Porazdelitev električnega polja antene λ/2 v prostem prostoru pri t = 0, t/8, t/4 in 3T/8
Ni znano, kako se vodeni valovi ločijo od antene in se sčasoma oblikujejo tako, da se širijo v prostem prostoru. Vodene valove in valove v prostem prostoru lahko primerjamo z vodnimi valovi, ki jih lahko povzroči kamen, spuščen v mirno vodno telo, ali na druge načine. Ko se motnja v vodi začne, se ustvarijo vodni valovi, ki se začnejo širiti navzven. Tudi če se motnja ustavi, se valovi ne ustavijo, ampak se še naprej širijo naprej. Če motnja vztraja, se nenehno ustvarjajo novi valovi, katerih širjenje zaostaja za drugimi valovi.
Enako velja za elektromagnetne valove, ki jih povzročajo električne motnje. Če je začetna električna motnja iz vira kratkotrajna, se ustvarjeni elektromagnetni valovi širijo znotraj daljnovoda, nato vstopijo v anteno in končno sevajo kot valovi prostega prostora, čeprav vzbujanje ni več prisotno (tako kot vodni valovi in motnja, ki so jo ustvarili). Če je električna motnja neprekinjena, elektromagnetni valovi obstajajo neprekinjeno in jim med širjenjem tesno sledijo, kot je prikazano na bikonični anteni na sliki 5. Ko so elektromagnetni valovi znotraj daljnovodov in anten, je njihov obstoj povezan z obstojem električnega naboja znotraj prevodnika. Ko pa se valovi sevajo, tvorijo zaprto zanko in ni naboja, ki bi ohranjal njihov obstoj. To nas pripelje do zaključka, da:
Vzbujanje polja zahteva pospeševanje in zaviranje naboja, vzdrževanje polja pa ne zahteva pospeševanja in zaviranja naboja.
Slika 5
3. Dipolno sevanje
Poskušali bomo razložiti mehanizem, s katerim se linije električnega polja odcepijo od antene in tvorijo valove v prostem prostoru, in kot primer vzemimo dipolno anteno. Čeprav gre za poenostavljeno razlago, ljudem omogoča tudi intuitiven vpogled v nastanek valov v prostem prostoru. Slika 6(a) prikazuje linije električnega polja, ki nastanejo med obema krakoma dipola, ko se linije električnega polja v prvi četrtini cikla premaknejo navzven za λ∕4. Za ta primer predpostavimo, da je število nastalih linij električnega polja 3. V naslednji četrtini cikla se prvotne tri linije električnega polja premaknejo za nadaljnjih λ∕4 (skupaj λ∕2 od začetne točke) in gostota naboja na prevodniku se začne zmanjševati. Lahko sklepamo, da nastane z vnosom nasprotnih nabojev, ki izničijo naboje na prevodniku na koncu prve polovice cikla. Linije električnega polja, ki jih ustvarijo nasprotni naboji, so 3 in se premaknejo za razdaljo λ∕4, kar je predstavljeno s pikčastimi črtami na sliki 6(b).
Končni rezultat je, da so v prvi razdalji λ/4 tri navzdol usmerjene linije električnega polja in enako število navzgor usmerjenih linij električnega polja v drugi razdalji λ/4. Ker na anteni ni neto naboja, se morajo linije električnega polja ločiti od prevodnika in združiti, da tvorijo zaprto zanko. To je prikazano na sliki 6(c). V drugi polovici sledi isti fizikalni postopek, vendar upoštevajte, da je smer nasprotna. Po tem se postopek ponavlja in se nadaljuje v nedogled, pri čemer se oblikuje porazdelitev električnega polja, podobna tisti na sliki 4.
Slika 6
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 20. junij 2024
