Όταν πρόκειται γιακεραίες, το ερώτημα που απασχολεί περισσότερο τους ανθρώπους είναι «Πώς επιτυγχάνεται στην πραγματικότητα η ακτινοβολία;» Πώς διαδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται από την πηγή σήματος μέσω της γραμμής μεταφοράς και μέσα στην κεραία, και τελικά «διαχωρίζεται» από την κεραία για να σχηματίσει ένα κύμα ελεύθερου χώρου.
1. Ακτινοβολία ενός σύρματος
Ας υποθέσουμε ότι η πυκνότητα φορτίου, εκφρασμένη ως qv (Coulomb/m3), είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε ένα κυκλικό σύρμα με διατομή a και όγκο V, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1
Το συνολικό φορτίο Q σε όγκο V κινείται προς την κατεύθυνση z με ομοιόμορφη ταχύτητα Vz (m/s). Μπορεί να αποδειχθεί ότι η πυκνότητα ρεύματος Jz στην εγκάρσια διατομή του σύρματος είναι:
Jz = qv vz (1)
Αν το σύρμα είναι κατασκευασμένο από ιδανικό αγωγό, η πυκνότητα ρεύματος Js στην επιφάνεια του σύρματος είναι:
Js = qs vz (2)
Όπου qs είναι η πυκνότητα επιφανειακού φορτίου. Εάν το σύρμα είναι πολύ λεπτό (ιδανικά, η ακτίνα είναι 0), το ρεύμα στο σύρμα μπορεί να εκφραστεί ως:
Iz = ql vz (3)
Όπου ql (κουλόμπ/μέτρο) είναι το φορτίο ανά μονάδα μήκους.
Ασχολούμαστε κυρίως με λεπτά σύρματα και τα συμπεράσματα ισχύουν για τις τρεις παραπάνω περιπτώσεις. Εάν το ρεύμα μεταβάλλεται χρονικά, η παράγωγος του τύπου (3) ως προς το χρόνο έχει ως εξής:
(4)
az είναι η επιτάχυνση φορτίου. Αν το μήκος του σύρματος είναι l, η (4) μπορεί να γραφτεί ως εξής:
(5)
Η εξίσωση (5) είναι η βασική σχέση μεταξύ ρεύματος και φορτίου, καθώς και η βασική σχέση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Με απλά λόγια, για την παραγωγή ακτινοβολίας, πρέπει να υπάρχει χρονικά μεταβαλλόμενο ρεύμα ή επιτάχυνση (ή επιβράδυνση) του φορτίου. Συνήθως αναφέρουμε το ρεύμα σε εφαρμογές χρονικά αρμονικών, και το φορτίο αναφέρεται συχνότερα σε εφαρμογές μεταβατικών φαινομένων. Για να παραχθεί επιτάχυνση (ή επιβράδυνση) φορτίου, το σύρμα πρέπει να είναι λυγισμένο, διπλωμένο και ασυνεχές. Όταν το φορτίο ταλαντώνεται σε χρονικά αρμονική κίνηση, θα παράγει επίσης περιοδική επιτάχυνση (ή επιβράδυνση) φορτίου ή χρονικά μεταβαλλόμενο ρεύμα. Επομένως:
1) Εάν το φορτίο δεν κινείται, δεν θα υπάρχει ρεύμα και ακτινοβολία.
2) Αν το φορτίο κινείται με σταθερή ταχύτητα:
α. Αν το σύρμα είναι ευθύγραμμο και έχει άπειρο μήκος, δεν υπάρχει ακτινοβολία.
β. 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 κι αν το σύρμα είναι ευθύγραμμο.
Σχήμα 2
Μια ποιοτική κατανόηση του μηχανισμού ακτινοβολίας μπορεί να επιτευχθεί εξετάζοντας μια παλμική πηγή συνδεδεμένη με ένα ανοιχτό σύρμα που μπορεί να γειωθεί μέσω ενός φορτίου στο ανοιχτό άκρο του, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(δ). Όταν το σύρμα αρχικά ενεργοποιείται, τα φορτία (ελεύθερα ηλεκτρόνια) στο σύρμα τίθενται σε κίνηση από τις γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που παράγονται από την πηγή. Καθώς τα φορτία επιταχύνονται στο άκρο πηγής του σύρματος και επιβραδύνονται (αρνητική επιτάχυνση σε σχέση με την αρχική κίνηση) όταν ανακλώνται στο άκρο του, ένα πεδίο ακτινοβολίας παράγεται 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 από το ηλεκτρικό πεδίο και η επιβράδυνση των φορτίων λόγω της ασυνέχειας ή της ομαλής καμπύλης της σύνθετης αντίστασης του σύρματος είναι οι μηχανισμοί για την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αν και τόσο η πυκνότητα ρεύματος (Jc) όσο και η πυκνότητα φορτίου (qv) είναι όροι πηγής στις εξισώσεις Maxwell, το φορτίο θεωρείται μια πιο θεμελιώδης ποσότητα, ειδικά για παροδικά πεδία. Αν και αυτή η εξήγηση της ακτινοβολίας χρησιμοποιείται κυρίως για παροδικές 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 (9-10GHz)
2. Ακτινοβολία δύο συρμάτων
Συνδέστε μια πηγή τάσης σε μια γραμμή μεταφοράς δύο αγωγών συνδεδεμένη με μια κεραία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(α). Η εφαρμογή τάσης στη γραμμή δύο αγωγών δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγωγών. Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου δρουν στα ελεύθερα ηλεκτρόνια (που διαχωρίζονται εύκολα από τα άτομα) που είναι συνδεδεμένα με κάθε αγωγό και τα αναγκάζουν να κινηθούν. Η κίνηση των φορτίων παράγει ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του παράγει ένα μαγνητικό πεδίο.
Σχήμα 3
Έχουμε αποδεχτεί ότι οι γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου ξεκινούν με θετικά φορτία και καταλήγουν σε αρνητικά. Φυσικά, μπορούν επίσης να ξεκινούν με θετικά φορτία και να καταλήγουν στο άπειρο ή να ξεκινούν στο άπειρο και να καταλήγουν σε αρνητικά φορτία ή να σχηματίζουν κλειστούς βρόχους που ούτε ξεκινούν ούτε τελειώνουν με φορτία. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν πάντα κλειστούς βρόχους γύρω από αγωγούς που φέρουν 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 αφορούν ισχύ και μαγνητικές πηγές.
Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου που σχεδιάζονται μεταξύ δύο αγωγών βοηθούν στην απεικόνιση της κατανομής του φορτίου. Αν υποθέσουμε ότι η πηγή τάσης είναι ημιτονοειδής, αναμένουμε ότι το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγωγών θα είναι επίσης ημιτονοειδές με περίοδο ίση με αυτήν της πηγής. Το σχετικό μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου αντιπροσωπεύεται από την πυκνότητα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου και τα βέλη υποδεικνύουν 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. Αν αφαιρέσουμε μέρος της δομής της κεραίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(β), ένα κύμα ελεύθερου χώρου μπορεί να σχηματιστεί "συνδέοντας" τα ανοιχτά άκρα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου (που φαίνονται 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 (προς P1) σε μισό χρονικό διάστημα. 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 του ηλεκτρικού πεδίου στον ελεύθερο χώρο της κεραίας λ∕2 στις χρονικές στιγμές t = 0, t/8, t/4 και 3T/8.
Σχήμα 4 Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου ελεύθερου χώρου της κεραίας λ∕2 στις χρονικές στιγμές t = 0, t/8, t/4 και 3T/8
Δεν είναι γνωστό πώς τα καθοδηγούμενα κύματα διαχωρίζονται από την κεραία και τελικά σχηματίζονται για να διαδοθούν στον ελεύθερο χώρο. Μπορούμε να συγκρίνουμε τα καθοδηγούμενα κύματα και τα κύματα του ελεύθερου χώρου με τα κύματα του νερού, τα οποία μπορούν να προκληθούν από μια πέτρα που πέφτει σε ένα ήρεμο υδάτινο σώμα ή με άλλους τρόπους. Μόλις ξεκινήσει 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 μεταφοράς, στη συνέχεια εισέρχονται στην κεραία και τελικά ακτινοβολούν ως κύματα ελεύθερου χώρου, παρόλο που η διέγερση δεν υπάρχει πλέον (όπως τα κύματα του νερού και η διαταραχή που δημιούργησαν). Εάν η ηλεκτρική διαταραχή είναι συνεχής, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπάρχουν συνεχώς και τα ακολουθούν στενά κατά τη διάδοσή τους, όπως φαίνεται στην δικωνική 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 φορτίου μέσα στον αγωγό. Ωστόσο, όταν τα κύματα ακτινοβολούνται, σχηματίζουν έναν κλειστό βρόχο και δεν υπάρχει φορτίο για να διατηρήσουν την ύπαρξή τους. Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι:
Η διέγερση του πεδίου απαιτεί επιτάχυνση και επιβράδυνση του φορτίου, αλλά η διατήρηση του πεδίου δεν απαιτεί επιτάχυνση και επιβράδυνση του φορτίου.
Σχήμα 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 λαμβάνουμε ως παράδειγμα την διπολική κεραία. Αν και είναι μια απλοποιημένη εξήγηση, επιτρέπει επίσης 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 μετακινούν άλλα λ∕4 (σύνολο 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 μετακινούνται σε απόσταση λ∕4, η οποία αναπαρίσταται από τις διακεκομμένες γραμμές στο Σχήμα 6(β).
Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι υπάρχουν τρεις καθοδικές γραμμές ηλεκτρικού πεδίου στην πρώτη απόσταση λ∕4 και ο ίδιος αριθμός ανοδικών γραμμών ηλεκτρικού πεδίου 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 για να σχηματίσουν έναν κλειστό βρόχο. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 6(γ). Στο δεύτερο μισό, 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 το Σχήμα 4.
Σχήμα 6
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση:
Ώρα δημοσίευσης: 20 Ιουνίου 2024
