Када је у питањуантене, питање које људе највише брине је „Како се заправо постиже зрачење?“ Како се електромагнетно поље које генерише извор сигнала шири кроз далековод и унутар антене, и коначно се „одваја“ од антене да би формирало талас у слободном простору.
1. Зрачење једне жице
Претпоставимо да је густина наелектрисања, изражена као qv (Кулон/м3), равномерно распоређена у кружној жици са површином попречног пресека a и запремином V, као што је приказано на слици 1.
Слика 1
Укупно наелектрисање Q у запремини V креће се у правцу z равномерном брзином Vz (m/s). Може се доказати да је густина струје Jz на попречном пресеку жице:
Jz = qv vz (1)
Ако је жица направљена од идеалног проводника, густина струје Js на површини жице је:
Js = qs vz (2)
Где је qs густина површинског наелектрисања. Ако је жица веома танка (идеално, полупречник је 0), струја у жици може се изразити као:
Iz = ql vz (3)
Где је ql (кулон/метар) наелектрисање по јединици дужине.
Углавном нас занимају танке жице, а закључци се примењују на горе наведена три случаја. Ако је струја временски променљива, извод формуле (3) у односу на време је следећи:
(4)
az је убрзање наелектрисања. Ако је дужина жице l, (4) се може написати на следећи начин:
(5)
Једначина (5) је основни однос између струје и наелектрисања, а такође и основни однос електромагнетног зрачења. Једноставно речено, да би се произвело зрачење, мора постојати временски променљива струја или убрзање (или успоравање) наелектрисања. Обично помињемо струју у временски хармонијским применама, а наелектрисање се најчешће помиње у транзијентним применама. Да би се произвело убрзање (или успоравање) наелектрисања, жица мора бити савијена, пресавијена и дисконтинуирана. Када наелектрисање осцилује у временски хармонијском кретању, оно ће такође произвести периодично убрзање (или успоравање) наелектрисања или временски променљиву струју. Стога:
1) Ако се наелектрисање не креће, неће бити струје нити зрачења.
2) Ако се наелектрисање креће константном брзином:
а. Ако је жица права и бесконачне дужине, нема зрачења.
б. Ако је жица савијена, пресавијена или дисконтинуирана, као што је приказано на слици 2, постоји зрачење.
3) Ако наелектрисање осцилује током времена, наелектрисање ће зрачити чак и ако је жица права.
Слика 2
Квалитативно разумевање механизма зрачења може се добити посматрањем импулсног извора повезаног са отвореном жицом која се може уземљити преко оптерећења на свом отвореном крају, као што је приказано на слици 2(д). Када се жица почетно напаја, наелектрисања (слободни електрони) у жици се покрећу линијама електричног поља које генерише извор. Како се наелектрисања убрзавају на изворном крају жице и успоравају (негативно убрзање у односу на првобитно кретање) када се рефлектују на њеном крају, на њеним крајевима и дуж остатка жице генерише се поље зрачења. Убрзање наелектрисања се постиже спољним извором силе који покреће наелектрисања и производи повезано поље зрачења. Успоравање наелектрисања на крајевима жице постиже се унутрашњим силама повезаним са индукованим пољем, које је узроковано акумулацијом концентрисаних наелектрисања на крајевима жице. Унутрашње силе добијају енергију од акумулације наелектрисања како се његова брзина смањује на нулу на крајевима жице. Стога су убрзање наелектрисања услед побуђивања електричног поља и успоравање наелектрисања услед дисконтинуитета или глатке криве импедансе жице механизми за генерисање електромагнетног зрачења. Иако су и густина струје (Jc) и густина наелектрисања (qv) изворни чланови у Максвеловим једначинама, наелектрисање се сматра фундаменталнијом величином, посебно за пролазне поља. Иако се ово објашњење зрачења углавном користи за пролазне стања, може се користити и за објашњење стационарног зрачења.
Препоручујем неколико одличнихпроизводи од антенапроизведено од странеРФМИСО:
RM-ТЦР406.4
RM-БЦА082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Двожично зрачење
Повежите извор напона на двопроводничку далеководну линију повезану са антеном, као што је приказано на слици 3(а). Примена напона на двопроводну линију генерише електрично поље између проводника. Линије електричног поља делују на слободне електроне (који се лако одвајају од атома) повезане са сваким проводником и приморавају их да се крећу. Кретање наелектрисања генерише струју, која заузврат генерише магнетно поље.
Слика 3
Прихватили смо да линије електричног поља почињу позитивним наелектрисањима, а завршавају се негативним наелектрисањима. Наравно, оне такође могу почети позитивним наелектрисањима и завршити се у бесконачности; или почети у бесконачности и завршити се негативним наелектрисањима; или формирати затворене петље које нити почињу нити се завршавају било каквим наелектрисањем. Линије магнетног поља увек формирају затворене петље око проводника који носе струју, јер у физици не постоје магнетна наелектрисања. У неким математичким формулама, еквивалентна магнетна наелектрисања и магнетне струје се уводе да би се показала дуалност између решења која укључују изворе енергије и магнетне изворе.
Линије електричног поља нацртане између два проводника помажу да се прикаже расподела наелектрисања. Ако претпоставимо да је извор напона синусоидалан, очекујемо да ће и електрично поље између проводника бити синусоидно са периодом једнаким периоду извора. Релативна величина јачине електричног поља представљена је густином линија електричног поља, а стрелице показују релативни смер (позитиван или негативан). Генерисање временски променљивих електричних и магнетних поља између проводника формира електромагнетни талас који се простире дуж далековода, као што је приказано на слици 3(а). Електромагнетни талас улази у антену са наелектрисањем и одговарајућом струјом. Ако уклонимо део структуре антене, као што је приказано на слици 3(б), талас слободног простора може се формирати „спајањем“ отворених крајева линија електричног поља (приказаних испрекиданим линијама). Талас слободног простора је такође периодичан, али се тачка константне фазе P0 креће ка споља брзином светлости и прелази растојање од λ/2 (до P1) за пола временског периода. У близини антене, тачка константне фазе P0 креће се брже од брзине светлости и приближава се брзини светлости у тачкама удаљеним од антене. Слика 4 приказује расподелу електричног поља антене λ∕2 у слободном простору при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8.
Слика 4 Расподела електричног поља у слободном простору антене λ∕2 при t = 0, t/8, t/4 и 3T/8
Није познато како се вођени таласи одвајају од антене и на крају формирају да би се ширили у слободном простору. Можемо упоредити вођене и таласе у слободном простору са воденим таласима, које може изазвати камен испуштен у мирну водену површину или на друге начине. Када поремећај у води почне, генеришу се водени таласи и почињу да се шире ка споља. Чак и ако поремећај престане, таласи се не заустављају већ настављају да се шире напред. Ако поремећај потраје, стално се генеришу нови таласи, а ширење ових таласа заостаје за осталим таласима.
Исто важи и за електромагнетне таласе генерисане електричним сметњама. Ако је почетна електрична сметња из извора кратког трајања, генерисани електромагнетни таласи се шире унутар далековода, затим улазе у антену и коначно зраче као таласи у слободном простору, иако побуђивање више није присутно (баш као и таласи воде и сметња коју су створили). Ако је електрична сметња континуирана, електромагнетни таласи постоје континуирано и одмах их прате током простирања, као што је приказано на биконичној антени приказаној на слици 5. Када су електромагнетни таласи унутар далековода и антена, њихово постојање је повезано са постојањем електричног наелектрисања унутар проводника. Међутим, када се таласи зраче, они формирају затворену петљу и нема наелектрисања које би одржало њихово постојање. То нас доводи до закључка да:
Побуђивање поља захтева убрзање и успоравање наелектрисања, али одржавање поља не захтева убрзање и успоравање наелектрисања.
Слика 5
3. Диполно зрачење
Покушавамо да објаснимо механизам којим се линије електричног поља одвајају од антене и формирају таласе у слободном простору, и узимамо диполну антену као пример. Иако је то поједностављено објашњење, оно такође омогућава људима да интуитивно виде генерисање таласа у слободном простору. Слика 6(а) приказује линије електричног поља генерисане између два крака дипола када се линије електричног поља померају ка споља за λ∕4 у првој четвртини циклуса. За овај пример, претпоставимо да је број формираних линија електричног поља 3. У следећој четвртини циклуса, оригиналне три линије електричног поља померају се за још λ∕4 (укупно λ∕2 од почетне тачке), а густина наелектрисања на проводнику почиње да се смањује. Може се сматрати да је формирана увођењем супротних наелектрисања, која поништавају наелектрисања на проводнику на крају прве половине циклуса. Линије електричног поља генерисане супротним наелектрисањима су 3 и померају се за растојање од λ∕4, што је представљено испрекиданим линијама на слици 6(б).
Коначни резултат је да постоје три силазне линије електричног поља у првој удаљености λ∕4 и исти број узлазних линија електричног поља у другој удаљености λ∕4. Пошто на антени нема резултирајућег наелектрисања, линије електричног поља морају бити приморане да се одвоје од проводника и споје заједно да би формирале затворену петљу. Ово је приказано на слици 6(ц). У другој половини се прати исти физички процес, али треба напоменути да је смер супротан. Након тога, процес се понавља и наставља се унедоглед, формирајући расподелу електричног поља сличну оној на слици 4.
Слика 6
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време објаве: 20. јун 2024.
