Als het gaat omantennesDe vraag waar mensen zich het meest zorgen over maken is: "Hoe ontstaat straling eigenlijk?" Hoe plant het elektromagnetische veld dat door de signaalbron wordt gegenereerd zich voort door de transmissielijn en in de antenne, en hoe "scheidt" het zich uiteindelijk van de antenne om een vrije ruimtegolf te vormen.
1. Enkelvoudige draadstraling
Laten we aannemen dat de ladingsdichtheid, uitgedrukt in qv (Coulomb/m3), gelijkmatig verdeeld is in een cirkelvormige draad met een dwarsdoorsnede 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 gelijkmatige snelheid Vz (m/s). Er kan worden aangetoond dat de stroomdichtheid Jz in de doorsnede van de draad is:
Jz = qv vz (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 stroomsterkte in de draad worden uitgedrukt als:
Iz = ql vz (3)
Waarbij ql (coulomb/meter) de lading per lengte-eenheid is.
We hebben het hier vooral over dunne draden, en de conclusies zijn van toepassing op de bovenstaande drie gevallen. Als de stroom in de tijd varieert, is de afgeleide van formule (3) naar de tijd als volgt:
(4)
az is de ladingversnelling. Als de draadlengte l is, kan (4) als volgt worden geschreven:
(5)
Vergelijking (5) beschrijft de basisrelatie tussen stroom en lading, en ook de basisrelatie van elektromagnetische straling. Simpel gezegd: om straling te produceren, moet er een tijdsvariërende stroom of versnelling (of vertraging) van lading zijn. We spreken meestal over stroom in tijd-harmonische toepassingen, en lading wordt het vaakst genoemd in transiënte toepassingen. Om ladingversnelling (of -vertraging) te produceren, moet de draad gebogen, gevouwen en discontinu zijn. Wanneer de lading oscilleert in tijd-harmonische beweging, zal deze ook een periodieke ladingversnelling (of -vertraging) of tijdsvariërende stroom produceren. Dus:
1) Als de lading niet beweegt, is er geen stroom en geen straling.
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 afbeelding 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 begrip van het stralingsmechanisme kan worden verkregen door te kijken naar een gepulste bron die is aangesloten op een open draad die via een belasting aan het open uiteinde geaard kan worden, zoals weergegeven in figuur 2(d). Wanneer de draad voor het eerst onder spanning staat, worden de ladingen (vrije elektronen) in de draad in beweging gezet door de elektrische veldlijnen die door de bron worden gegenereerd. Doordat de ladingen aan het bronuiteinde van de draad worden versneld en afgeremd (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 zet en het bijbehorende stralingsveld produceert. De vertraging van de ladingen aan de uiteinden van de draad wordt bewerkstelligd door interne krachten die samenhangen met het geïnduceerde veld, dat wordt veroorzaakt door de accumulatie van geconcentreerde ladingen aan de uiteinden van de draad. De interne krachten winnen energie uit de accumulatie van lading naarmate de snelheid ervan aan de uiteinden van de draad tot nul afneemt. De versnelling van de ladingen door de excitatie van het elektrische veld en de vertraging van de ladingen door de discontinuïteit of vloeiende curve van de draadimpedantie zijn daarom de mechanismen voor het genereren van elektromagnetische straling. Hoewel zowel stroomdichtheid (Jc) als ladingsdichtheid (qv) brontermen zijn in de vergelijkingen van Maxwell, wordt lading beschouwd als een meer fundamentele grootheid, met name 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 aanantenneproductengefabriceerd doorRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Twee-draadsstraling
Sluit een spanningsbron aan op een tweeaderige transmissielijn die is aangesloten op een antenne, zoals weergegeven in figuur 3(a). Door spanning aan te leggen op de tweeaderige lijn ontstaat een elektrisch veld tussen de geleiders. De elektrische veldlijnen werken in op de vrije elektronen (gemakkelijk te scheiden van atomen) die met elke geleider zijn verbonden en dwingen deze te bewegen. De beweging van de ladingen genereert stroom, wat op zijn beurt een magnetisch veld genereert.
Figuur 3
We hebben aangenomen dat elektrische veldlijnen beginnen met positieve ladingen en eindigen met negatieve ladingen. Natuurlijk kunnen ze ook beginnen met positieve ladingen en eindigen op oneindig; of beginnen op oneindig en eindigen met negatieve ladingen; of gesloten lussen vormen die noch beginnen noch eindigen met ladingen. 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 tussen oplossingen met stroom- en magnetische bronnen te laten zien.
De elektrische veldlijnen tussen twee geleiders helpen om de ladingsverdeling te tonen. Als we aannemen dat de spanningsbron sinusvormig is, verwachten we dat het elektrische veld tussen de geleiders ook sinusvormig 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). De generatie van tijdsvariërende elektrische en magnetische velden tussen de geleiders vormt een elektromagnetische golf die zich voortplant langs de transmissielijn, 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 vrije-ruimtegolf worden gevormd door de open uiteinden van de elektrische veldlijnen (aangegeven met de stippellijnen) te "verbinden". De vrije-ruimtegolf is ook periodiek, maar het punt met constante fase P0 beweegt met de lichtsnelheid naar buiten en legt een afstand van λ/2 (naar P1) af in een halve tijdsperiode. Dichtbij de antenne beweegt het punt met constante fase P0 sneller dan de lichtsnelheid en benadert het de lichtsnelheid op punten ver van de antenne. Figuur 4 toont de elektrische veldverdeling in de vrije ruimte van de λ∕2-antenne op t = 0, t/8, t/4 en 3T/8.
Figuur 4 Vrije ruimte elektrische veldverdeling 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 kalm water valt of op andere manieren. Zodra de verstoring in het water begint, ontstaan er watergolven die zich naar buiten voortplanten. Zelfs als de verstoring stopt, stoppen de golven niet, maar blijven ze zich voortplanten. Als de verstoring aanhoudt, ontstaan er voortdurend nieuwe golven, waarvan de voortplanting achterloopt op de andere golven.
Hetzelfde geldt voor elektromagnetische golven die worden gegenereerd door elektrische verstoringen. Als de initiële elektrische verstoring van de bron van korte duur is, planten de gegenereerde elektromagnetische golven zich voort in de transmissielijn, komen 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 verstoring continu is, bestaan de elektromagnetische golven continu en volgen ze hen tijdens de voortplanting op de voet, zoals weergegeven in de biconische antenne in figuur 5. Wanneer elektromagnetische golven zich in transmissielijnen en antennes bevinden, hangt hun bestaan af van de aanwezigheid van elektrische lading in de geleider. Wanneer de golven echter worden uitgestraald, vormen ze een gesloten lus en is er geen lading die hun bestaan in stand houdt. Dit leidt tot de volgende conclusie:
Voor het opwekken van het veld is versnelling en vertraging van de lading nodig, maar voor het in stand houden van het veld is geen versnelling of vertraging van de lading nodig.
Figuur 5
3. Dipoolstraling
We proberen het mechanisme uit te leggen waarmee de elektrische veldlijnen van de antenne afbreken 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 om intuïtief de generatie van golven in de vrije ruimte te zien. Figuur 6(a) toont de elektrische veldlijnen die tussen de twee armen van de dipool worden gegenereerd wanneer de elektrische veldlijnen in het eerste kwart van de cyclus met 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 zich nog eens λ∕4 (in totaal λ∕2 vanaf het beginpunt), en de ladingsdichtheid op de geleider begint af te nemen. Deze 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 elektrische veldlijnen die door de tegengestelde ladingen worden gegenereerd, zijn 3 en bewegen over een afstand van λ∕4, wat wordt weergegeven door de stippellijnen in Figuur 6(b).
Het eindresultaat 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 aanwezig is, moeten de elektrische veldlijnen gedwongen worden zich van de geleider te scheiden en samen te voegen tot een gesloten lus. Dit is weergegeven in figuur 6(c). In de tweede helft wordt hetzelfde fysische proces gevolgd, maar merk op dat de richting tegengesteld is. Daarna herhaalt het proces zich en gaat oneindig door, waarbij een elektrische veldverdeling ontstaat die vergelijkbaar is met figuur 4.
Figuur 6
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Plaatsingstijd: 20-06-2024
