Wann et drëm geetAntennen, d'Fro, iwwer déi d'Leit sech am meeschte Suergen maachen, ass "Wéi gëtt Stralung tatsächlech erreecht?" Wéi verbreet sech dat elektromagnetescht Feld, dat vun der Signalquell generéiert gëtt, duerch d'Transmissiounsleitung an an der Antenn, a "trennt" sech schliisslech vun der Antenn fir eng Fräiraumwelle ze bilden.
1. Eenzeldrahtstralung
Loosse mer dovun ausgoen, datt d'Ladungsdicht, ausgedréckt als qv (Coulomb/m3), gläichméisseg an engem kreesfërmegen Drot mat enger Querschnittsfläch vun a an engem Volumen vu V verdeelt ass, wéi an der Figur 1 gewisen.
Figur 1
Déi total Ladung Q am Volumen V beweegt sech an z-Richtung mat enger gläichméisseger Geschwindegkeet Vz (m/s). Et kann noweisbar sinn, datt d'Stroumdicht Jz um Querschnitt vum Drot ass:
Jz = qv vz (1)
Wann den Drot aus engem idealen Leeder besteet, ass d'Stroumdicht Js op der Drotoberfläche:
Js = qs vz (2)
Wou qs d'Uewerflächenladungsdicht ass. Wann den Drot ganz dënn ass (am Idealfall ass de Radius 0), kann de Stroum am Drot ausgedréckt ginn als:
Iz = ql vz (3)
Woubei ql (Coulomb/Meter) d'Ladung pro Längteneenheet ass.
Mir beschäftege eis haaptsächlech mat dënne Drot, an d'Conclusiounen gëllen och fir déi dräi uewe genannten Fäll. Wann de Stroum zäitlech variéiert, ass d'Ofleedung vun der Formel (3) a Bezuch op d'Zäit wéi follegt:
(4)
az ass d'Ladebeschleunigung. Wann d'Drotlängt l ass, kann (4) wéi follegt geschriwwe ginn:
(5)
Equatioun (5) ass déi grondleeënd Bezéiung tëscht Stroum a Ladung, an och déi grondleeënd Bezéiung vun der elektromagnetescher Stralung. Einfach ausgedréckt, fir Stralung ze produzéieren, muss et e zäitverännerleche Stroum oder Beschleunigung (oder Verzögerung) vun der Ladung ginn. Mir ernimmen normalerweis Stroum an zäitharmoneschen Uwendungen, a Ladung gëtt am meeschten an transienten Uwendungen ernimmt. Fir eng Ladungsbeschleunigung (oder Verzögerung) ze produzéieren, muss den Drot gebéit, gefaalt a diskontinuéierlech sinn. Wann d'Ladung an zäitharmonescher Bewegung oszilléiert, produzéiert se och periodesch Ladungsbeschleunigung (oder Verzögerung) oder zäitverännerleche Stroum. Dofir:
1) Wann d'Ladung sech net beweegt, gëtt et kee Stroum a keng Stralung.
2) Wann d'Ladung sech mat enger konstanter Geschwindegkeet beweegt:
a. Wann den Drot riicht an onendlech laang ass, gëtt et keng Stralung.
b. Wann den Drot gebéit, gefaltet oder ënnerbrach ass, wéi an der Figur 2 gewisen, gëtt et Stralung.
3) Wann d'Ladung mat der Zäit oszilléiert, straalt d'Ladung aus, och wann den Drot riicht ass.
Figur 2
E qualitativt Verständnis vum Stralungsmechanismus kann een kréien andeems een eng gepulste Quell kuckt, déi mat engem oppene Drot verbonnen ass, deen duerch eng Laascht un sengem oppene Enn geerdet ka ginn, wéi an der Figur 2(d) gewisen. Wann den Drot ufanks ugespaant gëtt, ginn d'Ladungen (fräi Elektronen) am Drot duerch d'elektresch Feldlinnen, déi vun der Quell generéiert ginn, a Bewegung gesat. Well d'Ladungen um Quellende vum Drot beschleunegt ginn an ofgebremst ginn (negativ Beschleunigung am Verhältnes zu der ursprénglecher Bewegung), wann se un sengem Enn reflektéiert ginn, gëtt e Stralungsfeld un senge Enden an laanscht de Rescht vum Drot generéiert. D'Beschleunigung vun de Ladungen gëtt duerch eng extern Kraaftquell erreecht, déi d'Ladungen a Bewegung setzt an dat associéiert Stralungsfeld produzéiert. D'Ofbremsung vun de Ladungen un den Enden vum Drot gëtt duerch intern Kräften erreecht, déi mam induzéierte Feld verbonne sinn, wat duerch d'Akkumulatioun vu konzentréierte Ladungen un den Enden vum Drot verursaacht gëtt. Déi intern Kräften kréien Energie aus der Akkumulatioun vun der Ladung, well hir Geschwindegkeet un den Enden vum Drot op Null erofgeet. Dofir sinn d'Beschleunigung vun de Ladungen duerch d'Anregung vum elektresche Feld an d'Verzögerung vun de Ladungen duerch d'Diskontinuitéit oder d'glat Kurve vun der Drotimpedanz d'Mechanismen fir d'Generatioun vun elektromagnetescher Stralung. Och wann souwuel d'Stroumdicht (Jc) wéi och d'Ladungsdicht (qv) Quelltermer an de Maxwell-Equatioune sinn, gëtt d'Ladung als eng méi fundamental Gréisst ugesinn, besonnesch fir transient Felder. Och wann dës Erklärung vun der Stralung haaptsächlech fir transient Zoustänn benotzt gëtt, kann se och benotzt ginn fir d'Stabiliséierung vun der Stralung.
Recommandéiert e puer exzellentAntenneprodukterhiergestallt vunRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Zweidrahtstralung
Verbënnt eng Spannungsquell mat enger Zweileiter-Transmissiounsleitung, déi mat enger Antenn verbonnen ass, wéi an der Figur 3(a) gewisen. D'Uwendung vu Spannung op déi Zweileiterleitung generéiert en elektrescht Feld tëscht de Leiter. D'elektresch Feldlinne wierken op déi fräi Elektronen (liicht vun den Atomer getrennt), déi mat all Leiter verbonne sinn, a forcéieren se sech ze beweegen. D'Beweegung vun de Ladungen generéiert Stroum, deen dann e Magnéitfeld generéiert.
Figur 3
Mir hunn akzeptéiert, datt elektresch Feldlinnen mat positive Ladungen ufänken an mat negativen Ladungen ophalen. Natierlech kënne se och mat positive Ladungen ufänken an am Onendlechen ophalen; oder am Onendlechen ufänken an mat negativen Ladungen ophalen; oder zougemaach Schleifen bilden, déi weder mat Ladungen ufänken nach ophalen. Magnéitfeldlinne bilden ëmmer zougemaach Schleifen ëm stroumféierend Leeder, well et an der Physik keng magnéitesch Ladungen gëtt. A verschiddene mathematesche Formelen ginn gläichwäerteg magnéitesch Ladungen a magnéitesch Stréim agefouert, fir d'Dualitéit tëscht Léisungen ze weisen, déi Energie a magnéitesch Quellen involvéieren.
Déi elektresch Feldlinnen, déi tëscht zwee Leeder gezeechent sinn, hëllefen d'Verdeelung vun der Ladung ze weisen. Wa mir dovun ausginn, datt d'Spannungsquell sinusfërmeg ass, erwaarden mir, datt d'elektrescht Feld tëscht de Leeder och sinusfërmeg ass mat enger Period, déi gläich wéi déi vun der Quell ass. Déi relativ Gréisst vun der elektrescher Feldstäerkt gëtt duerch d'Dicht vun den elektresche Feldlinnen duergestallt, an d'Pfeiler weisen déi relativ Richtung (positiv oder negativ). D'Generatioun vun zäitlech variéierenden elektreschen a magnéitesche Felder tëscht de Leeder bildt eng elektromagnetesch Well, déi sech laanscht d'Transmissiounsleitung ausbreet, wéi an der Figur 3(a) gewisen. Déi elektromagnetesch Well trëtt mat der Ladung an dem entspriechende Stroum an d'Antenn eran. Wa mir en Deel vun der Antennstruktur ewechhuelen, wéi an der Figur 3(b) gewisen, kann eng Fräiraumwell geformt ginn, andeems déi oppe Enden vun den elektresche Feldlinnen (weist duerch déi gepunkelt Linnen) "verbonne" ginn. D'Fräiraumwell ass och periodesch, awer de Punkt P0 mat der konstanter Phas beweegt sech mat Liichtgeschwindegkeet no baussen a reest eng Distanz vun λ/2 (op P1) an enger halwer Zäitperiod. No bei der Antenn beweegt sech de Punkt P0 mat der konstanter Phas méi séier wéi d'Liichtgeschwindegkeet a kënnt op Punkten, déi wäit vun der Antenn ewech sinn, der Liichtgeschwindegkeet no. Figur 4 weist d'Verdeelung vum elektresche Feld am fräie Raum vun der λ∕2-Antenn bei t = 0, t/8, t/4 an 3T/8.
Figur 4 Fräiraum-elektrescht Feldverdeelung vun der λ∕2-Antenn bei t = 0, t/8, t/4 an 3T/8
Et ass net bekannt, wéi déi geleet Wellen vun der Antenn getrennt ginn a schliisslech geformt ginn, fir sech am fräie Raum auszebreeden. Mir kënnen geleet a fräie Raumwellen mat Waasserwellen vergläichen, déi duerch e Steen, deen an engem rouege Waasserkierper gefall ass, oder op aner Weeër verursaacht kënne ginn. Soubal d'Stéierung am Waasser ufänkt, ginn Waasserwellen generéiert, déi ufänken, sech no baussen auszebreeden. Och wann d'Stéierung ophält, halen d'Wellen net op, mä verbreeden sech weider no vir. Wann d'Stéierung bestoe bleift, ginn dauernd nei Wellen generéiert, an d'Ausbreedung vun dëse Wellen hänke bliwwen hannert den anere Wellen.
Datselwecht gëllt fir elektromagnetesch Wellen, déi duerch elektresch Stéierungen entstinn. Wann déi initial elektresch Stéierung vun der Quell vu kuerzer Dauer ass, verbreeden sech déi generéiert elektromagnetesch Wellen an der Transmissiounsleitung, kommen dann an d'Antenn a stralen schliisslech als Fräiraumwellen aus, och wann d'Anregung net méi präsent ass (genau wéi d'Waasserwellen an d'Stéierung, déi se verursaacht hunn). Wann déi elektresch Stéierung kontinuéierlech ass, existéieren d'elektromagnetesch Wellen kontinuéierlech a verfollegen se während der Ausbreedung, wéi an der bikonischer Antenn an der Figur 5 gewisen. Wann elektromagnetesch Wellen an Transmissiounsleitungen an Antennen sinn, hänkt hir Existenz mat der Existenz vun enger elektrescher Ladung am Leeder zesummen. Wann d'Wellen awer ausgestraalt ginn, bilden se eng zougemaach Schleif an et gëtt keng Ladung fir hir Existenz z'erhalen. Dëst féiert eis zu der Conclusioun, datt:
D'Ureegung vum Feld erfuerdert Beschleunigung an Ofbremsung vun der Ladung, awer d'Erhalen vum Feld erfuerdert keng Beschleunigung an Ofbremsung vun der Ladung.
Figur 5
3. Dipolstralung
Mir probéieren de Mechanismus z'erklären, duerch deen d'elektresch Feldlinnen vun der Antenn ofbriechen a Fräiraumwellen bilden, a mir huelen d'Dipolantenn als Beispill. Och wann et eng vereinfacht Erklärung ass, erméiglecht et de Leit och intuitiv d'Generatioun vu Fräiraumwellen ze gesinn. Figur 6(a) weist d'elektresch Feldlinnen, déi tëscht den zwou Äerm vum Dipol generéiert ginn, wann d'elektresch Feldlinnen am éischte Véierel vum Zyklus ëm λ∕4 no bausse beweegen. Fir dëst Beispill huelen mir un, datt d'Zuel vun den elektresche Feldlinnen, déi geformt ginn, 3 ass. Am nächste Véierel vum Zyklus beweegen sech déi ursprénglech dräi elektresch Feldlinnen ëm weider λ∕4 (am Ganzen λ∕2 vum Startpunkt), an d'Ladungsdicht um Leeder fänkt un ofzehuelen. Si kann als duerch d'Aféierung vu géigneresche Ladungen ugesi ginn, déi d'Ladungen um Leeder um Enn vun der éischter Hallschent vum Zyklus ausgläichen. D'elektresch Feldlinnen, déi duerch déi géigneresch Ladungen generéiert ginn, sinn 3 a beweegen sech eng Distanz vun λ∕4, wat duerch déi gepunkelt Linnen an der Figur 6(b) duergestallt gëtt.
D'Endresultat ass, datt et dräi elektresch Feldlinnen no ënnen an der éischter λ/4 Distanz an déiselwecht Zuel vun elektresche Feldlinnen no uewen an der zweeter λ/4 Distanz gëtt. Well et keng Nettoladung op der Antenn gëtt, mussen d'elektresch Feldlinnen gezwonge ginn, sech vum Leeder ze trennen an zesummenzesetzen, fir eng zougemaach Schleif ze bilden. Dëst ass an der Figur 6(c) gewisen. An der zweeter Hallschent gëtt dee selwechte physikalesche Prozess gefollegt, awer et ass ze bemierken, datt d'Richtung entgéintgesat ass. Duerno gëtt de Prozess widderholl a geet onbestëmmt weider, wouduerch eng elektresch Feldverdeelung entsteet, ähnlech wéi an der Figur 4.
Figur 6
Fir méi iwwer Antennen ze léieren, gitt w.e.g. op:
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 20. Juni 2024
