Οταν πρόκειται γιακεραίες, το ερώτημα που απασχολεί περισσότερο τους ανθρώπους είναι "Πώς επιτυγχάνεται πραγματικά η ακτινοβολία;"Πώς διαδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από την πηγή σήματος μέσω της γραμμής μετάδοσης και μέσα στην κεραία, και τελικά «διαχωρίζεται» από την κεραία για να σχηματίσει ένα κύμα ελεύθερου χώρου.
1. Ακτινοβολία ενός καλωδίου
Ας υποθέσουμε ότι η πυκνότητα φορτίου, εκφρασμένη ως qv (Coulomb/m3), είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε ένα κυκλικό σύρμα με εμβαδόν διατομής a και όγκο V, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Φιγούρα 1
Το συνολικό φορτίο Q στον όγκο V κινείται προς την κατεύθυνση z με ομοιόμορφη ταχύτητα Vz (m/s).Μπορεί να αποδειχθεί ότι η πυκνότητα ρεύματος Jz στη διατομή του σύρματος είναι:
Jz = qv vz (1)
Εάν το καλώδιο είναι κατασκευασμένο από έναν ιδανικό αγωγό, η πυκνότητα ρεύματος Js στην επιφάνεια του σύρματος είναι:
Js = qs vz (2)
Όπου qs είναι η πυκνότητα του επιφανειακού φορτίου.Εάν το καλώδιο είναι πολύ λεπτό (ιδανικά, η ακτίνα είναι 0), το ρεύμα στο καλώδιο μπορεί να εκφραστεί ως:
Iz = ql vz (3)
Όπου ql (κουλόμπ/μέτρο) είναι η χρέωση ανά μονάδα μήκους.
Μας απασχολούν κυρίως τα λεπτά σύρματα και τα συμπεράσματα ισχύουν για τις τρεις παραπάνω περιπτώσεις.Εάν το ρεύμα είναι χρονικά μεταβαλλόμενο, η παράγωγος του τύπου (3) ως προς το χρόνο είναι η εξής:
(4)
az είναι η επιτάχυνση φόρτισης.Εάν το μήκος του καλωδίου είναι l, το (4) μπορεί να γραφτεί ως εξής:
(5)
Η εξίσωση (5) είναι η βασική σχέση μεταξύ ρεύματος και φορτίου, καθώς και η βασική σχέση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Με απλά λόγια, για να παραχθεί ακτινοβολία, πρέπει να υπάρχει χρονικά μεταβαλλόμενο ρεύμα ή επιτάχυνση (ή επιβράδυνση) φόρτισης.Συνήθως αναφέρουμε το ρεύμα σε εφαρμογές χρονικής αρμονικής και η φόρτιση αναφέρεται συχνότερα σε μεταβατικές εφαρμογές.Για να παραχθεί επιτάχυνση φόρτισης (ή επιβράδυνση), το καλώδιο πρέπει να είναι λυγισμένο, διπλωμένο και ασυνεχές.Όταν το φορτίο ταλαντώνεται σε χρονική-αρμονική κίνηση, θα παράγει επίσης περιοδική επιτάχυνση (ή επιβράδυνση) ή χρονικά μεταβαλλόμενο ρεύμα.Επομένως:
1) Αν το φορτίο δεν κινηθεί, δεν θα υπάρχει ρεύμα και ακτινοβολία.
2) Εάν το φορτίο κινείται με σταθερή ταχύτητα:
ένα.Εάν το σύρμα είναι ευθύ και απεριόριστο σε μήκος, δεν υπάρχει ακτινοβολία.
σι.Εάν το σύρμα είναι λυγισμένο, διπλωμένο ή ασυνεχές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, υπάρχει ακτινοβολία.
3) Εάν το φορτίο ταλαντώνεται με την πάροδο του χρόνου, το φορτίο θα ακτινοβολεί ακόμα και αν το καλώδιο είναι ίσιο.
Σχήμα 2
Μια ποιοτική κατανόηση του μηχανισμού ακτινοβολίας μπορεί να επιτευχθεί κοιτάζοντας μια παλμική πηγή συνδεδεμένη σε ένα ανοιχτό καλώδιο που μπορεί να γειωθεί μέσω ενός φορτίου στο ανοιχτό άκρο του, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(δ).Όταν το σύρμα ενεργοποιείται αρχικά, τα φορτία (ελεύθερα ηλεκτρόνια) στο σύρμα τίθενται σε κίνηση από τις γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργούνται από την πηγή.Καθώς τα φορτία επιταχύνονται στο άκρο της πηγής του σύρματος και επιβραδύνονται (αρνητική επιτάχυνση σε σχέση με την αρχική κίνηση) όταν ανακλώνται στο άκρο του, δημιουργείται ένα πεδίο ακτινοβολίας στα άκρα του και κατά μήκος του υπόλοιπου σύρματος.Η επιτάχυνση των φορτίων επιτυγχάνεται από μια εξωτερική πηγή δύναμης που θέτει τα φορτία σε κίνηση και παράγει το σχετικό πεδίο ακτινοβολίας.Η επιβράδυνση των φορτίων στα άκρα του σύρματος επιτυγχάνεται από εσωτερικές δυνάμεις που σχετίζονται με το επαγόμενο πεδίο, το οποίο προκαλείται από τη συσσώρευση συγκεντρωμένων φορτίων στα άκρα του σύρματος.Οι εσωτερικές δυνάμεις αποκτούν ενέργεια από τη συσσώρευση φορτίου καθώς η ταχύτητά του μειώνεται στο μηδέν στα άκρα του σύρματος.Επομένως, η επιτάχυνση των φορτίων λόγω της διέγερσης του ηλεκτρικού πεδίου και η επιβράδυνση των φορτίων λόγω της ασυνέχειας ή της ομαλής καμπύλης της σύνθετης αντίστασης του σύρματος είναι οι μηχανισμοί παραγωγής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Αν και τόσο η πυκνότητα ρεύματος (Jc) όσο και η πυκνότητα φορτίου (qv) είναι όροι πηγής στις εξισώσεις του Maxwell, το φορτίο θεωρείται ότι είναι μια πιο θεμελιώδης ποσότητα, ειδικά για μεταβατικά πεδία.Αν και αυτή η εξήγηση της ακτινοβολίας χρησιμοποιείται κυρίως για μεταβατικές καταστάσεις, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει την ακτινοβολία σταθερής κατάστασης.
Προτείνετε πολλά εξαιρετικάπροϊόντα κεραίαςκατασκευασμένο απόRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Ακτινοβολία δύο συρμάτων
Συνδέστε μια πηγή τάσης σε μια γραμμή μετάδοσης δύο αγωγών συνδεδεμένη σε μια κεραία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(α).Η εφαρμογή τάσης στη γραμμή δύο καλωδίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγωγών.Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου δρουν στα ελεύθερα ηλεκτρόνια (που διαχωρίζονται εύκολα από τα άτομα) που συνδέονται με κάθε αγωγό και τα αναγκάζουν να κινηθούν.Η κίνηση των φορτίων δημιουργεί ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.
Εικόνα 3
Έχουμε αποδεχθεί ότι οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου ξεκινούν με θετικά φορτία και τελειώνουν με αρνητικά φορτία.Φυσικά, μπορούν επίσης να ξεκινήσουν με θετικά φορτία και να τελειώσουν στο άπειρο.ή ξεκινούν από το άπειρο και τελειώνουν με αρνητικά φορτία.ή σχηματίζουν κλειστούς βρόχους που ούτε ξεκινούν ούτε τελειώνουν με τυχόν χρεώσεις.Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν πάντα κλειστούς βρόχους γύρω από αγωγούς που μεταφέρουν ρεύμα επειδή δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία στη φυσική.Σε ορισμένους μαθηματικούς τύπους, εισάγονται ισοδύναμα μαγνητικά φορτία και μαγνητικά ρεύματα για να δείξουν τη δυαδικότητα μεταξύ λύσεων που περιλαμβάνουν ισχύ και μαγνητικές πηγές.
Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που χαράσσονται μεταξύ δύο αγωγών βοηθούν στην εμφάνιση της κατανομής του φορτίου.Αν υποθέσουμε ότι η πηγή τάσης είναι ημιτονοειδής, περιμένουμε το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγωγών να είναι επίσης ημιτονοειδές με περίοδο ίση με αυτή της πηγής.Το σχετικό μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου αντιπροσωπεύεται από την πυκνότητα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου και τα βέλη δείχνουν τη σχετική κατεύθυνση (θετική ή αρνητική).Η δημιουργία χρονικά μεταβαλλόμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων μεταξύ των αγωγών σχηματίζει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(α).Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα εισέρχεται στην κεραία με το φορτίο και το αντίστοιχο ρεύμα.Εάν αφαιρέσουμε μέρος της δομής της κεραίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(β), μπορεί να σχηματιστεί ένα κύμα ελεύθερου χώρου «συνδέοντας» τα ανοιχτά άκρα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου (που φαίνεται από τις διακεκομμένες γραμμές).Το κύμα ελεύθερου χώρου είναι επίσης περιοδικό, αλλά το σημείο σταθερής φάσης P0 κινείται προς τα έξω με την ταχύτητα του φωτός και διανύει απόσταση λ/2 (έως P1) σε μισή χρονική περίοδο.Κοντά στην κεραία, το σημείο σταθερής φάσης P0 κινείται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός και πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός σε σημεία μακριά από την κεραία.Το σχήμα 4 δείχνει την κατανομή ηλεκτρικού πεδίου ελεύθερου χώρου της κεραίας λ∕2 σε t = 0, t/8, t/4 και 3T/8.
Σχήμα 4 Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου ελεύθερου χώρου της κεραίας λ∕2 σε t = 0, t/8, t/4 και 3T/8
Δεν είναι γνωστό πώς τα κατευθυνόμενα κύματα διαχωρίζονται από την κεραία και τελικά σχηματίζονται για να διαδοθούν στον ελεύθερο χώρο.Μπορούμε να συγκρίνουμε τα καθοδηγούμενα και τα κύματα ελεύθερου χώρου με κύματα νερού, τα οποία μπορεί να προκληθούν από μια πέτρα που πέφτει σε ένα ήρεμο σώμα νερού ή με άλλους τρόπους.Μόλις αρχίσει η διαταραχή στο νερό, δημιουργούνται κύματα νερού και αρχίζουν να διαδίδονται προς τα έξω.Ακόμα κι αν σταματήσει η διαταραχή, τα κύματα δεν σταματούν αλλά συνεχίζουν να διαδίδονται προς τα εμπρός.Εάν η διαταραχή επιμένει, δημιουργούνται συνεχώς νέα κύματα και η διάδοση αυτών των κυμάτων υστερεί σε σχέση με τα άλλα κύματα.
Το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από ηλεκτρικές διαταραχές.Εάν η αρχική ηλεκτρική διαταραχή από την πηγή είναι μικρής διάρκειας, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται διαδίδονται μέσα στη γραμμή μετάδοσης, μετά εισέρχονται στην κεραία και τελικά ακτινοβολούν ως κύματα ελεύθερου χώρου, παρόλο που η διέγερση δεν υπάρχει πλέον (όπως τα κύματα του νερού και την αναστάτωση που δημιούργησαν).Εάν η ηλεκτρική διαταραχή είναι συνεχής, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπάρχουν συνεχώς και ακολουθούν στενά πίσω τους κατά τη διάδοση, όπως φαίνεται στην αμφικωνική κεραία που φαίνεται στο σχήμα 5. Όταν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα βρίσκονται μέσα σε γραμμές μεταφοράς και κεραίες, η ύπαρξή τους σχετίζεται με την ύπαρξη ηλεκτρικού φορτίο μέσα στον αγωγό.Ωστόσο, όταν τα κύματα ακτινοβολούνται, σχηματίζουν έναν κλειστό βρόχο και δεν υπάρχει χρέωση για τη διατήρηση της ύπαρξής τους.Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι:
Η διέγερση του πεδίου απαιτεί επιτάχυνση και επιβράδυνση της φόρτισης, αλλά η συντήρηση του πεδίου δεν απαιτεί επιτάχυνση και επιβράδυνση της φόρτισης.
Εικόνα 5
3. Διπολική Ακτινοβολία
Προσπαθούμε να εξηγήσουμε τον μηχανισμό με τον οποίο οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου αποσπώνται από την κεραία και σχηματίζουν κύματα ελεύθερου χώρου, και παίρνουμε ως παράδειγμα τη διπολική κεραία.Αν και είναι μια απλοποιημένη εξήγηση, δίνει επίσης τη δυνατότητα στους ανθρώπους να δουν διαισθητικά τη δημιουργία κυμάτων ελεύθερου χώρου.Το σχήμα 6(α) δείχνει τις γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργούνται μεταξύ των δύο βραχιόνων του διπόλου όταν οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου κινούνται προς τα έξω κατά λ∕4 στο πρώτο τέταρτο του κύκλου.Για αυτό το παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι ο αριθμός των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου που σχηματίζονται είναι 3. Στο επόμενο τέταρτο του κύκλου, οι αρχικές τρεις γραμμές ηλεκτρικού πεδίου μετακινούνται άλλες λ∕4 (συνολικά λ∕2 από το σημείο εκκίνησης). και η πυκνότητα φορτίου στον αγωγό αρχίζει να μειώνεται.Μπορεί να θεωρηθεί ότι σχηματίζεται με την εισαγωγή αντίθετων φορτίων, τα οποία ακυρώνουν τα φορτία στον αγωγό στο τέλος του πρώτου μισού του κύκλου.Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργούνται από τα αντίθετα φορτία είναι 3 και κινούνται σε απόσταση λ∕4, η οποία αντιπροσωπεύεται από τις διακεκομμένες γραμμές στο Σχήμα 6(β).
Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι υπάρχουν τρεις προς τα κάτω γραμμές ηλεκτρικού πεδίου στην πρώτη απόσταση λ∕4 και ο ίδιος αριθμός γραμμών ηλεκτρικού πεδίου προς τα πάνω στη δεύτερη απόσταση λ∕4.Δεδομένου ότι δεν υπάρχει καθαρό φορτίο στην κεραία, οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου πρέπει να αναγκαστούν να διαχωριστούν από τον αγωγό και να συνδυαστούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν κλειστό βρόχο.Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 6(γ).Στο δεύτερο ημίχρονο ακολουθείται η ίδια φυσική διαδικασία, αλλά σημειώστε ότι η κατεύθυνση είναι αντίθετη.Μετά από αυτό, η διαδικασία επαναλαμβάνεται και συνεχίζεται επ 'αόριστον, σχηματίζοντας μια κατανομή ηλεκτρικού πεδίου παρόμοια με την Εικόνα 4.
Εικόνα 6
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε:
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-20-2024
