Als het aankomt opantennes, de vraag waar mensen zich het meest zorgen over maken is: "Hoe wordt straling eigenlijk bereikt?"Hoe plant het door de signaalbron gegenereerde elektromagnetische veld zich voort door de transmissielijn en in de antenne, en 'scheidt' zich uiteindelijk van de antenne om een golf in de vrije ruimte te vormen.
1. Enkeldraadsstraling
Laten we aannemen dat de ladingsdichtheid, uitgedrukt als qv (Coulomb/m3), uniform verdeeld is in een cirkelvormige draad met een dwarsdoorsnedeoppervlak van a en een volume van V, zoals weergegeven in figuur 1.
Figuur 1
De totale lading Q in volume V beweegt in de z-richting met een uniforme snelheid Vz (m/s).Er kan worden bewezen dat de stroomdichtheid Jz op de dwarsdoorsnede van de draad is:
Jz = qvvz（1）
Als de draad is gemaakt van een ideale geleider, is de stroomdichtheid Js op het draadoppervlak:
Js = qs vz（2）
Waarbij qs de oppervlakteladingsdichtheid is.Als de draad erg dun is (idealiter is de straal 0), kan de stroom in de draad worden uitgedrukt als:
Iz = ql vz (3)
Waarbij ql (coulomb/meter) de lading per lengte-eenheid is.
Het gaat ons vooral om dunne draden, en de conclusies zijn van toepassing op de drie bovengenoemde gevallen.Als de stroom in de tijd varieert, is de afgeleide van formule (3) met betrekking tot de tijd als volgt:
(4)
az is de ladingsversnelling.Als de draadlengte l is, kan (4) als volgt worden geschreven:
(5)
Vergelijking (5) is de basisrelatie tussen stroom en lading, en ook de basisrelatie van elektromagnetische straling.Simpel gezegd: om straling te produceren moet er een in de tijd variërende stroom of versnelling (of vertraging) van de lading zijn.We noemen stroom meestal in tijdharmonische toepassingen, en lading wordt het vaakst genoemd in transiënte toepassingen.Om ladingsversnelling (of vertraging) te produceren, moet de draad gebogen, gevouwen en discontinu zijn.Wanneer de lading oscilleert in tijdharmonische beweging, zal deze ook periodieke ladingsversnelling (of vertraging) of in de tijd variërende stroom produceren.Daarom:
1) Als de lading niet beweegt, zal er geen stroom en geen straling zijn.
2) Als de lading met een constante snelheid beweegt:
A.Als de draad recht en oneindig lang is, is er geen straling.
B.Als de draad gebogen, gevouwen of onderbroken is, zoals weergegeven in figuur 2, is er sprake van straling.
3) Als de lading in de loop van de tijd oscilleert, zal de lading uitstralen, zelfs als de draad recht is.
Figuur 2
Een kwalitatief inzicht in het stralingsmechanisme kan worden verkregen door te kijken naar een gepulseerde bron die is aangesloten op een open draad die kan worden geaard via een belasting aan het open uiteinde, zoals weergegeven in figuur 2(d).Wanneer de draad voor het eerst wordt bekrachtigd, worden de ladingen (vrije elektronen) in de draad in beweging gezet door de elektrische veldlijnen die door de bron worden gegenereerd.Terwijl de ladingen worden versneld aan het bronuiteinde van de draad en worden vertraagd (negatieve versnelling ten opzichte van de oorspronkelijke beweging) wanneer ze aan het uiteinde worden gereflecteerd, wordt een stralingsveld gegenereerd aan de uiteinden en langs de rest van de draad.De versnelling van de ladingen wordt bewerkstelligd door een externe krachtbron die de ladingen in beweging brengt en het bijbehorende stralingsveld produceert.De vertraging van de ladingen aan de uiteinden van de draad wordt tot stand gebracht door interne krachten die verband houden met het geïnduceerde veld, dat wordt veroorzaakt door de accumulatie van geconcentreerde ladingen aan de uiteinden van de draad.De interne krachten halen energie uit de accumulatie van lading terwijl de snelheid aan de uiteinden van de draad tot nul afneemt.Daarom zijn de versnelling van de ladingen als gevolg van de excitatie van het elektrische veld en de vertraging van de ladingen als gevolg van de discontinuïteit of vloeiende curve van de draadimpedantie de mechanismen voor het genereren van elektromagnetische straling.Hoewel zowel de stroomdichtheid (Jc) als de ladingsdichtheid (qv) brontermen zijn in de vergelijkingen van Maxwell, wordt lading beschouwd als een meer fundamentele grootheid, vooral voor transiënte velden.Hoewel deze verklaring van straling voornamelijk wordt gebruikt voor transiënte toestanden, kan deze ook worden gebruikt om steady-state-straling te verklaren.
Beveel verschillende uitstekende aanantenne productengemaakt doorRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4(0,8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. Tweedraadsstraling
Sluit een spanningsbron aan op een transmissielijn met twee geleiders die is aangesloten op een antenne, zoals weergegeven in figuur 3(a).Het aanleggen van spanning op de tweedraadslijn genereert een elektrisch veld tussen de geleiders.De elektrische veldlijnen werken in op de vrije elektronen (gemakkelijk gescheiden van atomen) die met elke geleider zijn verbonden en dwingen ze om te bewegen.De beweging van ladingen genereert stroom, die op zijn beurt een magnetisch veld genereert.
figuur 3
We hebben aanvaard dat elektrische veldlijnen beginnen met positieve ladingen en eindigen met negatieve ladingen.Ze kunnen natuurlijk ook beginnen met positieve ladingen en eindigen op oneindig;of begin bij oneindig en eindig met negatieve ladingen;of vormen gesloten lussen die noch beginnen noch eindigen met enige lading.Magnetische veldlijnen vormen altijd gesloten lussen rond stroomvoerende geleiders, omdat er in de natuurkunde geen magnetische ladingen bestaan.In sommige wiskundige formules worden equivalente magnetische ladingen en magnetische stromen geïntroduceerd om de dualiteit aan te tonen tussen oplossingen waarbij kracht en magnetische bronnen betrokken zijn.
De elektrische veldlijnen die tussen twee geleiders worden getrokken, helpen de verdeling van de lading weer te geven.Als we aannemen dat de spanningsbron sinusoïdaal is, verwachten we dat het elektrische veld tussen de geleiders ook sinusoïdaal is met een periode gelijk aan die van de bron.De relatieve grootte van de elektrische veldsterkte wordt weergegeven door de dichtheid van de elektrische veldlijnen, en de pijlen geven de relatieve richting aan (positief of negatief).Het genereren van in de tijd variërende elektrische en magnetische velden tussen de geleiders vormt een elektromagnetische golf die zich langs de transmissielijn voortplant, zoals weergegeven in figuur 3(a).De elektromagnetische golf komt de antenne binnen met de lading en de bijbehorende stroom.Als we een deel van de antennestructuur verwijderen, zoals weergegeven in figuur 3(b), kan een golf in de vrije ruimte worden gevormd door de open uiteinden van de elektrische veldlijnen te "verbinden" (weergegeven door de stippellijnen).De golf in de vrije ruimte is ook periodiek, maar het constante-fasepunt P0 beweegt naar buiten met de snelheid van het licht en legt een afstand van λ/2 af (naar P1) in een halve tijdsperiode.Dichtbij de antenne beweegt het constante-fasepunt P0 sneller dan de lichtsnelheid en nadert de lichtsnelheid op punten ver van de antenne.Figuur 4 toont de verdeling van het elektrische veld in de vrije ruimte van de λ∕2-antenne op t = 0, t/8, t/4 en 3T/8.
Figuur 4 Verdeling van het elektrische veld in de vrije ruimte van de λ∕2-antenne op t = 0, t/8, t/4 en 3T/8
Het is niet bekend hoe de geleide golven van de antenne worden gescheiden en uiteindelijk worden gevormd om zich in de vrije ruimte voort te planten.We kunnen geleide en vrije ruimtegolven vergelijken met watergolven, die kunnen worden veroorzaakt door een steen die in een kalm water valt of op andere manieren.Zodra de verstoring in het water begint, worden er watergolven gegenereerd die zich naar buiten voortplanten.Zelfs als de verstoring stopt, stoppen de golven niet, maar blijven ze zich voortplanten.Als de verstoring aanhoudt, worden er voortdurend nieuwe golven gegenereerd en blijft de voortplanting van deze golven achter bij de andere golven.
Hetzelfde geldt voor elektromagnetische golven die worden gegenereerd door elektrische storingen.Als de initiële elektrische storing van de bron van korte duur is, planten de gegenereerde elektromagnetische golven zich voort binnen de transmissielijn, dringen vervolgens de antenne binnen en stralen uiteindelijk uit als golven in de vrije ruimte, ook al is de excitatie niet langer aanwezig (net als de watergolven). en de verstoring die ze veroorzaakten).Als de elektrische storing continu is, bestaan de elektromagnetische golven continu en volgen ze tijdens de voortplanting op de voet, zoals weergegeven in de biconische antenne in figuur 5. Wanneer elektromagnetische golven zich binnen transmissielijnen en antennes bevinden, houdt hun bestaan verband met het bestaan van elektrische lading in de geleider.Wanneer de golven echter worden uitgestraald, vormen ze een gesloten lus en is er geen lading om hun voortbestaan in stand te houden.Dit brengt ons tot de conclusie dat:
Excitatie van het veld vereist versnelling en vertraging van de lading, maar het onderhoud van het veld vereist geen versnelling en vertraging van de lading.
Figuur 5
3. Dipoolstraling
We proberen het mechanisme uit te leggen waarmee de elektrische veldlijnen loskomen van de antenne en golven in de vrije ruimte vormen, en nemen de dipoolantenne als voorbeeld.Hoewel het een vereenvoudigde uitleg is, stelt het mensen ook in staat intuïtief het genereren van golven in de vrije ruimte te zien.Figuur 6(a) toont de elektrische veldlijnen die worden gegenereerd tussen de twee armen van de dipool wanneer de elektrische veldlijnen in het eerste kwart van de cyclus over λ∕4 naar buiten bewegen.Laten we voor dit voorbeeld aannemen dat het aantal gevormde elektrische veldlijnen 3 is. In het volgende kwart van de cyclus verplaatsen de oorspronkelijke drie elektrische veldlijnen nog eens λ∕4 (een totaal van λ∕2 vanaf het startpunt), en de ladingsdichtheid op de geleider begint af te nemen.Het kan worden beschouwd als gevormd door de introductie van tegengestelde ladingen, die de ladingen op de geleider aan het einde van de eerste helft van de cyclus opheffen.De door de tegengestelde ladingen gegenereerde elektrische veldlijnen zijn 3 en verplaatsen zich over een afstand van λ∕4, wat wordt weergegeven door de stippellijnen in figuur 6(b).
Het uiteindelijke resultaat is dat er drie neerwaartse elektrische veldlijnen zijn op de eerste λ∕4-afstand en hetzelfde aantal opwaartse elektrische veldlijnen op de tweede λ∕4-afstand.Omdat er geen netto lading op de antenne zit, moeten de elektrische veldlijnen gedwongen worden zich van de geleider te scheiden en samen een gesloten lus te vormen.Dit wordt getoond in figuur 6(c).In de tweede helft wordt hetzelfde fysieke proces gevolgd, maar merk op dat de richting tegengesteld is.Daarna wordt het proces herhaald en voor onbepaalde tijd voortgezet, waarbij een elektrische veldverdeling ontstaat die vergelijkbaar is met figuur 4.
Figuur 6
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Posttijd: 20 juni 2024
