Kad runa ir parantenas, jautājums, kas cilvēkus visvairāk uztrauc, ir "Kā īsti tiek panākts starojums?" Kā signāla avota radītais elektromagnētiskais lauks izplatās pa pārraides līniju un antenas iekšpusē, un visbeidzot "atdalās" no antenas, veidojot brīvas telpas vilni.
1. Viena vada starojums
Pieņemsim, ka lādiņa blīvums, izteikts kā qv (Kuloni/m3), ir vienmērīgi sadalīts apļveida stieplē ar šķērsgriezuma laukumu a un tilpumu V, kā parādīts 1. attēlā.
1. attēls
Kopējais lādiņš Q tilpumā V pārvietojas z virzienā ar vienmērīgu ātrumu Vz (m/s). Var pierādīt, ka strāvas blīvums Jz uz stieples šķērsgriezuma ir:
Jz = qv vz (1)
Ja vads ir izgatavots no ideāla vadītāja, strāvas blīvums Js uz vada virsmas ir:
Js = qs vz (2)
Kur qs ir virsmas lādiņa blīvums. Ja vads ir ļoti plāns (ideālā gadījumā rādiuss ir 0), strāvu vadā var izteikt kā:
Iz = ql vz (3)
Kur ql (kulons/metrs) ir lādiņš uz garuma vienību.
Mūs galvenokārt interesē plāni vadi, un secinājumi attiecas uz iepriekš minētajiem trim gadījumiem. Ja strāva mainās laikā, formulas (3) atvasinājums attiecībā pret laiku ir šāds:
(4)
az ir lādiņa paātrinājums. Ja vada garums ir l, (4) var uzrakstīt šādi:
(5)
Vienādojums (5) ir pamatsakarība starp strāvu un lādiņu, kā arī elektromagnētiskā starojuma pamatsakarība. Vienkārši sakot, lai radītu starojumu, ir jābūt laika ziņā mainīgai strāvai vai lādiņa paātrinājumam (vai palēninājumam). Strāvu parasti pieminam laika harmonikas lietojumos, un lādiņš visbiežāk tiek pieminēts pārejas procesos. Lai radītu lādiņa paātrinājumu (vai palēninājumu), vadam jābūt saliektam, salocītam un pārtrauktam. Kad lādiņš svārstās laika harmonikas kustībā, tas radīs arī periodisku lādiņa paātrinājumu (vai palēninājumu) vai laika ziņā mainīgu strāvu. Tāpēc:
1) Ja lādiņš nekustas, nebūs strāvas un nebūs starojuma.
2) Ja lādiņš pārvietojas ar nemainīgu ātrumu:
a. Ja vads ir taisns un bezgalīgi garš, starojuma nav.
b. Ja vads ir saliekts, salocīts vai pārtraukts, kā parādīts 2. attēlā, pastāv starojums.
3) Ja lādiņš laika gaitā svārstās, tas izstaros pat tad, ja vads ir taisns.
2. attēls
Kvalitatīvu izpratni par starojuma mehānismu var iegūt, aplūkojot impulsa avotu, kas savienots ar atvērtu vadu, kuru var iezemēt caur slodzi tā atvērtajā galā, kā parādīts 2. attēlā (d). Kad vads sākotnēji tiek aktivizēts, avota radītās elektriskā lauka līnijas ierosina lādiņus (brīvos elektronus) vadā. Tā kā lādiņi tiek paātrināti vada avota galā un palēnināti (negatīvs paātrinājums attiecībā pret sākotnējo kustību), kad tie atstarojas no tā gala, tā galos un gar pārējo vadu rodas starojuma lauks. Lādiņu paātrinājumu panāk ar ārēju spēka avotu, kas iekustina lādiņus un rada ar tiem saistīto starojuma lauku. Lādiņu palēninājumu vada galos panāk ar iekšējiem spēkiem, kas saistīti ar inducēto lauku, ko izraisa koncentrētu lādiņu uzkrāšanās vada galos. Iekšējie spēki iegūst enerģiju no lādiņa uzkrāšanās, jo tā ātrums vada galos samazinās līdz nullei. Tāpēc lādiņu paātrinājums elektriskā lauka ierosmes dēļ un lādiņu palēninājums vada impedances pārtraukuma vai gludas līknes dēļ ir elektromagnētiskā starojuma ģenerēšanas mehānismi. Lai gan gan strāvas blīvums (Jc), gan lādiņa blīvums (qv) ir avota termini Maksvela vienādojumos, lādiņš tiek uzskatīts par fundamentālāku lielumu, īpaši pārejas laukos. Lai gan šo starojuma skaidrojumu galvenokārt izmanto pārejas stāvokļiem, to var izmantot arī, lai izskaidrotu stacionāra starojuma stāvokli.
Iesakiet vairākus izcilusantenu produktiražotājsRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8–2 GHz)
RM-SWA910-22 (9–10 GHz)
2. Divu vadu starojums
Pievienojiet sprieguma avotu divu vadītāju pārraides līnijai, kas savienota ar antenu, kā parādīts 3. attēlā (a). Pievienojot spriegumu divu vadu līnijai, starp vadītājiem tiek ģenerēts elektriskais lauks. Elektriskā lauka līnijas iedarbojas uz brīvajiem elektroniem (viegli atdalāmiem no atomiem), kas savienoti ar katru vadītāju, un piespiež tos kustēties. Lādiņu kustība rada strāvu, kas savukārt rada magnētisko lauku.
3. attēls
Mēs esam pieņēmuši, ka elektriskā lauka līnijas sākas ar pozitīviem lādiņiem un beidzas ar negatīviem lādiņiem. Protams, tās var arī sākties ar pozitīviem lādiņiem un beigties bezgalībā; vai sākties bezgalībā un beigties ar negatīviem lādiņiem; vai veidot slēgtas cilpas, kas ne sākas, ne beidzas ar lādiņiem. Magnētiskā lauka līnijas vienmēr veido slēgtas cilpas ap strāvu vadošiem vadītājiem, jo fizikā nav magnētisko lādiņu. Dažās matemātiskās formulās tiek ieviesti ekvivalenti magnētiskie lādiņi un magnētiskās strāvas, lai parādītu dualitāti starp risinājumiem, kas ietver jaudas un magnētiskos avotus.
Elektriskā lauka līnijas, kas novilktas starp diviem vadītājiem, palīdz parādīt lādiņa sadalījumu. Ja pieņemam, ka sprieguma avots ir sinusoidāls, mēs sagaidām, ka elektriskais lauks starp vadītājiem arī būs sinusoidāls ar periodu, kas vienāds ar avota periodu. Elektriskā lauka stipruma relatīvo lielumu attēlo elektriskā lauka līniju blīvums, un bultiņas norāda relatīvo virzienu (pozitīvu vai negatīvu). Laikā mainīgu elektrisko un magnētisko lauku ģenerēšana starp vadītājiem veido elektromagnētisko vilni, kas izplatās pa pārraides līniju, kā parādīts 3. attēlā (a). Elektromagnētiskais vilnis nonāk antenā kopā ar lādiņu un atbilstošo strāvu. Ja noņemam daļu no antenas struktūras, kā parādīts 3. attēlā (b), brīvas telpas vilni var veidot, "savienojot" elektriskā lauka līniju atvērtos galus (parādīti ar punktētām līnijām). Brīvas telpas vilnis arī ir periodisks, bet nemainīgās fāzes punkts P0 pārvietojas uz āru ar gaismas ātrumu un pusi no laika perioda veic attālumu λ/2 (līdz P1). Antenas tuvumā nemainīgās fāzes punkts P0 pārvietojas ātrāk par gaismas ātrumu un tuvojas gaismas ātrumam punktos, kas atrodas tālu no antenas. 4. attēlā parādīts λ∕2 antenas brīvās telpas elektriskā lauka sadalījums pie t = 0, t/8, t/4 un 3T/8.
4. attēls. Antenas λ∕2 elektriskā lauka sadalījums brīvā telpā pie t = 0, t/8, t/4 un 3T/8
Nav zināms, kā vadītie viļņi tiek atdalīti no antenas un galu galā veidojas, lai izplatītos brīvā telpā. Vadītos un brīvās telpas viļņus varam salīdzināt ar ūdens viļņiem, ko var izraisīt mierīgā ūdenstilpnē iemests akmens vai citi veidi. Tiklīdz ūdenī sākas traucējumi, rodas ūdens viļņi, kas sāk izplatīties uz āru. Pat ja traucējumi apstājas, viļņi neapstājas, bet turpina izplatīties uz priekšu. Ja traucējumi turpinās, pastāvīgi rodas jauni viļņi, un šo viļņu izplatīšanās atpaliek no citiem viļņiem.
Tas pats attiecas uz elektromagnētiskajiem viļņiem, ko rada elektriskie traucējumi. Ja sākotnējie elektriskie traucējumi no avota ir īslaicīgi, radītie elektromagnētiskie viļņi izplatās pārraides līnijā, pēc tam nonāk antenā un visbeidzot izstaro kā brīvas telpas viļņi, pat ja ierosme vairs nepastāv (tāpat kā ūdens viļņi un to radītie traucējumi). Ja elektriskie traucējumi ir nepārtraukti, elektromagnētiskie viļņi pastāv nepārtraukti un izplatīšanās laikā cieši seko tiem, kā parādīts 5. attēlā redzamajā bikoniskajā antenā. Kad elektromagnētiskie viļņi atrodas pārraides līnijās un antenās, to eksistence ir saistīta ar elektriskā lādiņa esamību vadītājā. Tomēr, kad viļņi tiek izstaroti, tie veido slēgtu cilpu, un nav lādiņa, kas uzturētu to eksistenci. Tas noved pie secinājuma, ka:
Lauka ierosināšanai nepieciešams lādiņa paātrinājums un palēninājums, bet lauka uzturēšanai lādiņa paātrinājums un palēninājums nav nepieciešams.
5. attēls
3. Dipola starojums
Mēs cenšamies izskaidrot mehānismu, ar kuru elektriskā lauka līnijas atdalās no antenas un veido brīvas telpas viļņus, un ņemam par piemēru dipola antenu. Lai gan tas ir vienkāršots skaidrojums, tas arī ļauj cilvēkiem intuitīvi saskatīt brīvas telpas viļņu ģenerēšanu. 6.(a) attēlā parādītas elektriskā lauka līnijas, kas rodas starp dipola diviem atzariem, kad elektriskā lauka līnijas cikla pirmajā ceturksnī pārvietojas uz āru par λ∕4. Šajā piemērā pieņemsim, ka izveidojušos elektriskā lauka līniju skaits ir 3. Cikla nākamajā ceturksnī sākotnējās trīs elektriskā lauka līnijas pārvietojas vēl par λ∕4 (kopā λ∕2 no sākuma punkta), un lādiņa blīvums uz vadītāja sāk samazināties. Var uzskatīt, ka to veido pretēju lādiņu ieviešana, kas atceļ lādiņus uz vadītāja cikla pirmās puses beigās. Pretējo lādiņu ģenerētās elektriskā lauka līnijas ir 3 un pārvietojas par attālumu λ∕4, ko 6.(b) attēlā attēlo punktētās līnijas.
Galarezultāts ir tāds, ka pirmajā λ∕4 attālumā ir trīs lejupvērstas elektriskā lauka līnijas un otrajā λ∕4 attālumā ir tāds pats skaits augšupvērstu elektriskā lauka līniju. Tā kā antenai nav neto lādiņa, elektriskā lauka līnijas ir jāpiespiež atdalīties no vadītāja un apvienoties, veidojot slēgtu cilpu. Tas ir parādīts 6.(c) attēlā. Otrajā pusē tiek ievērots tas pats fizikālais process, bet jāņem vērā, ka virziens ir pretējs. Pēc tam process atkārtojas un turpinās bezgalīgi, veidojot elektriskā lauka sadalījumu, kas līdzīgs 4. attēlā redzamajam.
6. attēls
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 2024. gada 20. jūnijs
