Når det kommer tilantenner, spørgsmålet, som folk er mest bekymrede over, er "Hvordan opnås stråling egentlig?"Hvordan udbreder det elektromagnetiske felt, der genereres af signalkilden, sig gennem transmissionslinjen og inde i antennen, og til sidst "adskilles" fra antennen for at danne en fri rumbølge.
1. Enkeltrådsstråling
Lad os antage, at ladningstætheden, udtrykt som qv (Coulomb/m3), er ensartet fordelt i en cirkulær ledning med et tværsnitsareal på a og et volumen på V, som vist i figur 1.
figur 1
Den samlede ladning Q i volumen V bevæger sig i z-retningen med en ensartet hastighed Vz (m/s).Det kan bevises, at strømtætheden Jz på ledningens tværsnit er:
Jz = qv vz （1）
Hvis ledningen er lavet af en ideel leder, er strømtætheden Js på ledningens overflade:
Js = qs vz （2）
Hvor qs er overfladeladningstætheden.Hvis ledningen er meget tynd (ideelt set er radius 0), kan strømmen i ledningen udtrykkes som:
Iz = ql vz (3)
Hvor ql (coulomb/meter) er ladningen pr. længdeenhed.
Vi beskæftiger os hovedsageligt med tynde ledninger, og konklusionerne gælder ovenstående tre sager.Hvis strømmen er tidsvarierende, er den afledte af formel (3) med hensyn til tid som følger:
（4）
az er ladningsaccelerationen.Hvis ledningslængden er l, kan (4) skrives som følger:
(5)
Ligning (5) er det grundlæggende forhold mellem strøm og ladning, og også det grundlæggende forhold mellem elektromagnetisk stråling.Kort sagt, for at producere stråling skal der være en tidsvarierende strøm eller acceleration (eller deceleration) af ladningen.Vi nævner normalt strøm i tidsharmoniske applikationer, og ladning nævnes oftest i transiente applikationer.For at producere ladningsacceleration (eller deceleration) skal ledningen være bøjet, foldet og diskontinuerlig.Når ladningen oscillerer i tidsharmonisk bevægelse, vil den også producere periodisk ladningsacceleration (eller deceleration) eller tidsvarierende strøm.Derfor:
1) Hvis ladningen ikke bevæger sig, vil der ikke være strøm og ingen stråling.
2) Hvis ladningen bevæger sig med konstant hastighed:
en.Hvis ledningen er lige og uendelig i længden, er der ingen stråling.
b.Hvis ledningen er bøjet, foldet eller diskontinuerlig, som vist i figur 2, er der stråling.
3) Hvis ladningen svinger over tid, vil ladningen udstråle, selvom ledningen er lige.
Figur 2
En kvalitativ forståelse af strålingsmekanismen kan opnås ved at se på en pulserende kilde forbundet til en åben ledning, der kan jordes gennem en belastning i dens åbne ende, som vist i figur 2(d).Når ledningen til at begynde med aktiveres, sættes ladningerne (frie elektroner) i ledningen i bevægelse af de elektriske feltlinjer, der genereres af kilden.Da ladningerne accelereres ved kildeenden af ledningen og decelereres (negativ acceleration i forhold til den oprindelige bevægelse), når de reflekteres ved dens ende, genereres et strålingsfelt ved dens ender og langs resten af ledningen.Accelerationen af ladningerne udføres af en ekstern kraftkilde, der sætter ladningerne i bevægelse og frembringer det tilhørende strålingsfelt.Decelerationen af ladningerne ved enderne af tråden opnås af interne kræfter forbundet med det inducerede felt, som er forårsaget af akkumulering af koncentrerede ladninger ved enderne af tråden.De indre kræfter får energi fra akkumulering af ladning, når dens hastighed falder til nul ved enderne af ledningen.Derfor er ladningernes acceleration på grund af excitationen af det elektriske felt og decelerationen af ladningerne på grund af trådimpedansens diskontinuitet eller glatte kurve mekanismerne til generering af elektromagnetisk stråling.Selvom både strømtæthed (Jc) og ladningstæthed (qv) er kildetermer i Maxwells ligninger, anses ladning for at være en mere fundamental størrelse, især for transiente felter.Selvom denne forklaring af stråling hovedsageligt bruges til transiente tilstande, kan den også bruges til at forklare steady-state stråling.
Anbefaler flere fremragendeantenne produkterfremstillet afRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. To-leder stråling
Tilslut en spændingskilde til en to-leder transmissionsledning forbundet til en antenne, som vist i figur 3(a).Påføring af spænding til to-trådsledningen genererer et elektrisk felt mellem lederne.De elektriske feltlinjer virker på de frie elektroner (let adskilt fra atomer) forbundet til hver leder og tvinger dem til at bevæge sig.Bevægelsen af ladninger genererer strøm, som igen genererer et magnetfelt.
Figur 3
Vi har accepteret, at elektriske feltlinjer starter med positive ladninger og slutter med negative ladninger.De kan selvfølgelig også starte med positive ladninger og ende i det uendelige;eller start i det uendelige og slutter med negative ladninger;eller danner lukkede sløjfer, der hverken starter eller slutter med nogen ladninger.Magnetiske feltlinjer danner altid lukkede sløjfer omkring strømførende ledere, fordi der ikke er magnetiske ladninger i fysik.I nogle matematiske formler introduceres ækvivalente magnetiske ladninger og magnetiske strømme for at vise dualiteten mellem løsninger, der involverer strøm og magnetiske kilder.
De elektriske feltlinjer trukket mellem to ledere er med til at vise ladningsfordelingen.Hvis vi antager, at spændingskilden er sinusformet, forventer vi, at det elektriske felt mellem lederne også er sinusformet med en periode svarende til kildens.Den relative størrelse af den elektriske feltstyrke er repræsenteret ved tætheden af de elektriske feltlinjer, og pilene angiver den relative retning (positiv eller negativ).Genereringen af tidsvarierende elektriske og magnetiske felter mellem lederne danner en elektromagnetisk bølge, der udbreder sig langs transmissionslinjen, som vist i figur 3(a).Den elektromagnetiske bølge kommer ind i antennen med ladningen og den tilsvarende strøm.Hvis vi fjerner en del af antennestrukturen, som vist i figur 3(b), kan der dannes en frirumsbølge ved at "forbindelse" de åbne ender af de elektriske feltlinjer (vist med de stiplede linjer).Frirumsbølgen er også periodisk, men konstantfasepunktet P0 bevæger sig udad med lysets hastighed og rejser en afstand på λ/2 (til P1) i løbet af en halv periode.I nærheden af antennen bevæger konstantfasepunktet P0 sig hurtigere end lysets hastighed og nærmer sig lysets hastighed i punkter langt fra antennen.Figur 4 viser fordeling af det frie rums elektriske felt af λ∕2-antennen ved t = 0, t/8, t/4 og 3T/8.
Figur 4 Frirums elektrisk feltfordeling af λ∕2-antennen ved t = 0, t/8, t/4 og 3T/8
Det vides ikke, hvordan de guidede bølger adskilles fra antennen og til sidst dannes til at forplante sig i frit rum.Vi kan sammenligne guidede og frie rumbølger med vandbølger, som kan være forårsaget af en sten, der er tabt i et roligt vandområde eller på andre måder.Når forstyrrelsen i vandet begynder, genereres vandbølger og begynder at forplante sig udad.Selvom forstyrrelsen stopper, stopper bølgerne ikke, men fortsætter med at forplante sig fremad.Hvis forstyrrelsen fortsætter, genereres der konstant nye bølger, og udbredelsen af disse bølger halter bagefter de andre bølger.
Det samme gælder for elektromagnetiske bølger genereret af elektriske forstyrrelser.Hvis den indledende elektriske forstyrrelse fra kilden er af kort varighed, forplanter de genererede elektromagnetiske bølger sig inde i transmissionslinjen, kommer derefter ind i antennen og udstråler til sidst som frirumsbølger, selvom excitationen ikke længere er til stede (ligesom vandbølgerne og den forstyrrelse, de skabte).Hvis den elektriske forstyrrelse er kontinuerlig, eksisterer de elektromagnetiske bølger kontinuerligt og følger tæt efter dem under udbredelsen, som vist i den bikoniske antenne vist i figur 5. Når elektromagnetiske bølger er inde i transmissionsledninger og antenner, er deres eksistens relateret til eksistensen af elektriske opladning inde i lederen.Men når bølgerne udstråles, danner de en lukket sløjfe, og der er ingen afgift for at opretholde deres eksistens.Dette leder os til den konklusion, at:
Excitering af feltet kræver acceleration og deceleration af ladningen, men vedligeholdelse af feltet kræver ikke acceleration og deceleration af ladningen.
Figur 5
3. Dipolstråling
Vi forsøger at forklare den mekanisme, hvorved de elektriske feltlinjer bryder væk fra antennen og danner frirumsbølger, og tager dipolantennen som et eksempel.Selvom det er en forenklet forklaring, sætter den også folk i stand til intuitivt at se genereringen af frirumsbølger.Figur 6(a) viser de elektriske feltlinjer genereret mellem dipolens to arme, når de elektriske feltlinjer bevæger sig udad med λ∕4 i den første fjerdedel af cyklussen.Lad os i dette eksempel antage, at antallet af dannede elektriske feltlinjer er 3. I den næste fjerdedel af cyklussen flytter de oprindelige tre elektriske feltlinjer yderligere λ∕4 (i alt λ∕2 fra startpunktet), og ladningstætheden på lederen begynder at falde.Det kan anses for at være dannet ved indførelsen af modsatte ladninger, som ophæver ladningerne på lederen i slutningen af den første halvdel af cyklussen.De elektriske feltlinjer genereret af de modsatte ladninger er 3 og bevæger sig en afstand på λ∕4, som er repræsenteret af de stiplede linjer i figur 6(b).
Det endelige resultat er, at der er tre nedadgående elektriske feltlinjer i den første λ∕4-afstand og det samme antal opadgående elektriske feltlinjer i den anden λ∕4-afstand.Da der ikke er nogen nettoladning på antennen, skal de elektriske feltlinjer tvinges til at adskilles fra lederen og kombineres for at danne en lukket sløjfe.Dette er vist i figur 6(c).I anden halvdel følges den samme fysiske proces, men bemærk at retningen er modsat.Derefter gentages processen og fortsætter i det uendelige og danner en elektrisk feltfordeling svarende til figur 4.
Figur 6
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Indlægstid: 20-jun-2024
