Kui asi puudutabantennid, küsimus, mis inimesi kõige rohkem huvitab, on "Kuidas kiirgust tegelikult saavutatakse?" Kuidas signaaliallika tekitatud elektromagnetväli levib läbi ülekandeliini ja antenni sees ning lõpuks antennist "eraldub", moodustades vaba ruumi laine.
1. Ühejuhtmeline kiirgus
Oletame, et laengutihedus, väljendatuna qv-des (Coulomb/m3), on ühtlaselt jaotunud ümmarguse juhtme ristlõikepindalaga a ja ruumalaga V, nagu on näidatud joonisel 1.
Joonis 1
Ruumis V olev kogulaeng Q liigub z-suunas ühtlase kiirusega Vz (m/s). On tõestatud, et voolutihedus Jz traadi ristlõikel on:
Jz = qv vz (1)
Kui traat on valmistatud ideaalsest juhist, on voolutihedus Js traadi pinnal:
Js = qs vz (2)
Kus qs on pinnalaengutihedus. Kui traat on väga õhuke (ideaaljuhul on raadius 0), saab voolu juhtmes väljendada järgmiselt:
Iz = ql vz (3)
Kus ql (kulon/meeter) on laeng pikkuseühiku kohta.
Meid huvitavad peamiselt õhukesed juhtmed ja järeldused kehtivad ülaltoodud kolme juhtumi kohta. Kui voolutugevus on ajas muutuv, on valemi (3) tuletis aja suhtes järgmine:
(4)
az on laengukiirendus. Kui juhtme pikkus on l, saab valemi (4) kirjutada järgmiselt:
(5)
Valem (5) kirjeldab voolu ja laengu vahelist põhisuhet ning ka elektromagnetilise kiirguse põhisuhet. Lihtsamalt öeldes peab kiirguse tekitamiseks olema ajas muutuv vool või laengu kiirendus (või aeglustus). Tavaliselt mainime voolu ajaharmoonilistes rakendustes ja laengut mainitakse kõige sagedamini siirderakendustes. Laengu kiirenduse (või aeglustuse) tekitamiseks tuleb traat painutada, voltida ja katkendlikuks muuta. Kui laeng võngub ajaharmoonilises liikumises, tekitab see ka perioodilist laengu kiirendust (või aeglustust) või ajas muutuvat voolu. Seega:
1) Kui laeng ei liigu, siis voolu ei teki ega kiirgust ei toimu.
2) Kui laeng liigub konstantse kiirusega:
a. Kui juhe on sirge ja lõpmatu pikkusega, siis kiirgust ei esine.
b. Kui traat on painutatud, volditud või katkendlik, nagu on näidatud joonisel 2, siis toimub kiirgus.
3) Kui laeng aja jooksul võngub, kiirgab see isegi sirge juhtme korral.
Joonis 2
Kiirgusmehhanismi kvalitatiivse mõistmise saab, uurides impulssallikat, mis on ühendatud avatud juhtmega, mida saab maandada koormuse kaudu selle avatud otsas, nagu on näidatud joonisel 2(d). Kui traat algselt pingestatakse, panevad juhtmes olevad laengud (vabad elektronid) liikuma allika tekitatud elektrivälja jõujooned. Kuna laengud kiirendatakse juhtme allikapoolses otsas ja aeglustuvad (negatiivne kiirendus algse liikumise suhtes) juhtme otsast peegeldudes, tekib selle otstes ja piki ülejäänud juhtme kiirgusväli. Laengute kiirendamine saavutatakse välise jõuallika abil, mis paneb laengud liikuma ja tekitab nendega seotud kiirgusvälja. Laengute aeglustumine juhtme otstes saavutatakse indutseeritud väljaga seotud sisemiste jõudude abil, mis on põhjustatud kontsentreeritud laengute akumuleerumisest juhtme otstes. Sisemised jõud saavad energiat laengu akumuleerumisest, kui selle kiirus väheneb juhtme otstes nullini. Seega on laengute kiirendus elektrivälja ergastuse tõttu ja laengute aeglustumine juhtme impedantsi katkendlikkuse või sujuva kõvera tõttu elektromagnetilise kiirguse tekkimise mehhanismid. Kuigi nii voolutihedus (Jc) kui ka laengutihedus (qv) on Maxwelli võrrandites allikliikmed, peetakse laengut fundamentaalsemaks suuruseks, eriti siirdeväljade puhul. Kuigi seda kiirguse seletust kasutatakse peamiselt siirdeseisundite puhul, saab seda kasutada ka püsiseisundi kiirguse selgitamiseks.
Soovitage mitut suurepärastantennitootedtoodetudRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8–2 GHz)
RM-SWA910-22 (9–10 GHz)
2. Kahejuhtmeline kiirgus
Ühendage pingeallikas kahejuhtmelise ülekandeliiniga, mis on ühendatud antenniga, nagu on näidatud joonisel 3(a). Pinge rakendamine kahejuhtmelisele liinile tekitab juhtide vahele elektrivälja. Elektrivälja jõujooned toimivad iga juhiga ühendatud vabadele elektronidele (aatomitest kergesti eraldatavad) ja sunnivad neid liikuma. Laengute liikumine tekitab voolu, mis omakorda tekitab magnetvälja.
Joonis 3
Oleme aktsepteerinud, et elektrivälja jõujooned algavad positiivsete laengutega ja lõpevad negatiivsete laengutega. Muidugi võivad need alata ka positiivsete laengutega ja lõppeda lõpmatuses; või alata lõpmatuses ja lõppeda negatiivsete laengutega; või moodustada suletud ahelaid, mis ei alga ega lõpe ühegi laenguga. Magnetvälja jõujooned moodustavad alati suletud ahelaid voolu kandvate juhtide ümber, sest füüsikas magnetlaenguid ei ole. Mõnedes matemaatilistes valemites on ekvivalentsed magnetlaengud ja magnetvoolud sisse toodud, et näidata jõuallikate ja magnetiliste allikate lahenduste duaalsust.
Kahe juhi vahele tõmmatud elektrivälja jõujooned aitavad näidata laengu jaotust. Kui eeldame, et pingeallikas on sinusoidaalne, siis eeldame, et juhtide vaheline elektriväli on samuti sinusoidaalne perioodiga, mis on võrdne allika omaga. Elektrivälja tugevuse suhtelist suurust esindab elektrivälja jõujoonte tihedus ja nooled näitavad suhtelist suunda (positiivne või negatiivne). Ajas muutuvate elektri- ja magnetväljade teke juhtide vahel moodustab elektromagnetlaine, mis levib mööda ülekandeliini, nagu on näidatud joonisel 3(a). Elektromagnetlaine siseneb antenni koos laengu ja vastava vooluga. Kui eemaldame osa antenni konstruktsioonist, nagu on näidatud joonisel 3(b), saab vaba ruumi laine moodustada elektrivälja jõujoonte avatud otste (näidatud punktiirjoontega) "ühendamise teel". Vaba ruumi laine on samuti perioodiline, kuid konstantse faasiga punkt P0 liigub valguse kiirusel väljapoole ja läbib poole ajaperioodiga vahemaa λ/2 (punktini P1). Antenni lähedal liigub konstantse faasiga punkt P0 kiiremini kui valguse kiirus ja läheneb valguse kiirusele antennist kaugel asuvates punktides. Joonis 4 näitab λ∕2 antenni vaba ruumi elektrivälja jaotust ajahetkedel t = 0, t/8, t/4 ja 3T/8.
Joonis 4. λ∕2 antenni vaba ruumi elektrivälja jaotus ajahetkedel t = 0, t/8, t/4 ja 3T/8.
Pole teada, kuidas suunatud lained antennist eralduvad ja lõpuks vabas ruumis levima hakkavad. Suunatud ja vabas ruumis levivaid laineid saab võrrelda veelainetega, mida võib põhjustada vaiksesse veekogusse kukkunud kivi või muul viisil. Kui häiring vees algab, tekivad veelained, mis hakkavad väljapoole levima. Isegi kui häiring peatub, lained ei peatu, vaid levivad edasi. Kui häiring püsib, tekivad pidevalt uued lained ja nende lainete levik jääb teistest lainetest maha.
Sama kehtib ka elektriliste häiringute tekitatud elektromagnetlainete kohta. Kui allikast tulenev esialgne elektriline häiring on lühiajaline, levivad tekitatud elektromagnetlained ülekandeliini sees, sisenevad seejärel antenni ja kiirguvad lõpuks vabas ruumis lainetena, isegi kui ergastust enam ei esine (täpselt nagu veelained ja nende tekitatud häiring). Kui elektriline häiring on pidev, eksisteerivad elektromagnetlained pidevalt ja järgnevad neile levimise ajal tihedalt, nagu on näidatud joonisel 5 kujutatud kaksikkoonilise antenni puhul. Kui elektromagnetlained on ülekandeliinide ja antennide sees, on nende olemasolu seotud juhi sees oleva elektrilaengu olemasoluga. Kiirgumisel moodustavad nad aga suletud ahela ja nende olemasolu säilitamiseks puudub laeng. See viib meid järeldusele, et:
Välja ergastamine nõuab laengu kiirendamist ja aeglustamist, kuid välja säilitamine ei nõua laengu kiirendamist ja aeglustamist.
Joonis 5
3. Dipoolkiirgus
Püüame selgitada mehhanismi, mille abil elektrivälja jõujooned antennist lahti eralduvad ja moodustavad vaba ruumi laineid, ning võtame näiteks dipoolantenni. Kuigi see on lihtsustatud seletus, võimaldab see inimestel ka intuitiivselt näha vaba ruumi lainete teket. Joonis 6(a) näitab dipooli kahe haru vahel tekkivaid elektrivälja jõujooni, kui elektrivälja jõujooned liiguvad tsükli esimeses veerandis väljapoole λ∕4 võrra. Selle näite jaoks oletame, et moodustunud elektrivälja jõujoonte arv on 3. Tsükli järgmises veerandis liiguvad kolm algset elektrivälja jõujoont veel λ∕4 võrra (kokku λ∕2 alguspunktist) ja juhi laengutihedus hakkab vähenema. Seda võib pidada moodustunuks vastaslaengute lisandumise teel, mis tühistavad juhi laengud tsükli esimese poole lõpus. Vastaslaengute tekitatud elektrivälja jõujooned on 3 ja liiguvad kauguse λ∕4 võrra, mida tähistavad punktiirjooned joonisel 6(b).
Lõpptulemuseks on, et esimesel λ∕4 kaugusel on kolm allapoole suunatud elektrivälja joont ja teisel λ∕4 kaugusel sama palju ülespoole suunatud elektrivälja jooni. Kuna antennil puudub netolaeng, tuleb elektrivälja jooned sundida juhist eralduma ja ühinema, moodustades suletud ahela. Seda on näidatud joonisel 6(c). Teises pooles järgitakse sama füüsikalist protsessi, kuid pange tähele, et suund on vastupidine. Pärast seda kordub protsess ja see jätkub lõputult, moodustades joonisele 4 sarnase elektrivälja jaotuse.
Joonis 6
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage palun järgmist saiti:
Postituse aeg: 20. juuni 2024
