Quan es tracta deantenes, la pregunta que més preocupa a la gent és "Com s'aconsegueix realment la radiació?". Com es propaga el camp electromagnètic generat per la font de senyal a través de la línia de transmissió i dins de l'antena, i finalment es "separa" de l'antena per formar una ona en l'espai lliure.
1. Radiació d'un sol fil
Suposem que la densitat de càrrega, expressada com a qv (Coulomb/m3), està distribuïda uniformement en un cable circular amb una secció transversal de a i un volum de V, tal com es mostra a la Figura 1.
Figura 1
La càrrega total Q en el volum V es mou en la direcció z a una velocitat uniforme Vz (m/s). Es pot demostrar que la densitat de corrent Jz a la secció transversal del cable és:
Jz = qv vz (1)
Si el cable està fet d'un conductor ideal, la densitat de corrent Js a la superfície del cable és:
Js = qs vz (2)
On qs és la densitat de càrrega superficial. Si el cable és molt prim (idealment, el radi és 0), el corrent al cable es pot expressar com:
Iz = ql vz (3)
On ql (coulomb/metre) és la càrrega per unitat de longitud.
Ens ocupem principalment de cables prims, i les conclusions s'apliquen als tres casos anteriors. Si el corrent és variable amb el temps, la derivada de la fórmula (3) respecte al temps és la següent:
(4)
az és l'acceleració de la càrrega. Si la longitud del cable és l, (4) es pot escriure de la següent manera:
(5)
L'equació (5) és la relació bàsica entre el corrent i la càrrega, i també la relació bàsica de la radiació electromagnètica. En poques paraules, per produir radiació, hi ha d'haver un corrent o acceleració (o desacceleració) de la càrrega variable en el temps. Normalment esmentem el corrent en aplicacions harmòniques en el temps, i la càrrega s'esmenta més sovint en aplicacions transitòries. Per produir una acceleració (o desacceleració) de la càrrega, el cable ha d'estar doblegat, plegat i discontinu. Quan la càrrega oscil·la en moviment harmònic en el temps, també produirà una acceleració (o desacceleració) de càrrega periòdica o un corrent variable en el temps. Per tant:
1) Si la càrrega no es mou, no hi haurà corrent ni radiació.
2) Si la càrrega es mou a una velocitat constant:
a. Si el cable és recte i de longitud infinita, no hi ha radiació.
b. Si el cable està doblegat, plegat o és discontinu, com es mostra a la figura 2, hi ha radiació.
3) Si la càrrega oscil·la amb el temps, la càrrega radiarà fins i tot si el cable és recte.
Figura 2
Es pot obtenir una comprensió qualitativa del mecanisme de radiació observant una font pulsada connectada a un cable obert que es pot connectar a terra a través d'una càrrega al seu extrem obert, com es mostra a la Figura 2(d). Quan el cable s'energitza inicialment, les càrregues (electrons lliures) del cable es posen en moviment per les línies de camp elèctric generades per la font. A mesura que les càrregues s'acceleren a l'extrem de la font del cable i es desacceleren (acceleració negativa respecte al moviment original) quan es reflecteixen al seu extrem, es genera un camp de radiació als seus extrems i al llarg de la resta del cable. L'acceleració de les càrregues s'aconsegueix mitjançant una font de força externa que posa les càrregues en moviment i produeix el camp de radiació associat. La desacceleració de les càrregues als extrems del cable s'aconsegueix mitjançant forces internes associades al camp induït, que és causada per l'acumulació de càrregues concentrades als extrems del cable. Les forces internes guanyen energia de l'acumulació de càrrega a mesura que la seva velocitat disminueix a zero als extrems del cable. Per tant, l'acceleració de les càrregues a causa de l'excitació del camp elèctric i la desacceleració de les càrregues a causa de la discontinuïtat o corba suau de la impedància del cable són els mecanismes per a la generació de radiació electromagnètica. Tot i que tant la densitat de corrent (Jc) com la densitat de càrrega (qv) són termes font a les equacions de Maxwell, la càrrega es considera una quantitat més fonamental, especialment per a camps transitoris. Tot i que aquesta explicació de la radiació s'utilitza principalment per a estats transitoris, també es pot utilitzar per explicar la radiació en estat estacionari.
Recomana diversos excel·lentsproductes d'antenafabricat perRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Radiació de dos fils
Connecteu una font de voltatge a una línia de transmissió de dos conductors connectada a una antena, tal com es mostra a la Figura 3(a). L'aplicació de voltatge a la línia de dos fils genera un camp elèctric entre els conductors. Les línies de camp elèctric actuen sobre els electrons lliures (fàcilment separables dels àtoms) connectats a cada conductor i els obliguen a moure's. El moviment de càrregues genera corrent, que al seu torn genera un camp magnètic.
Figura 3
Hem acceptat que les línies de camp elèctric comencen amb càrregues positives i acaben amb càrregues negatives. Per descomptat, també poden començar amb càrregues positives i acabar a l'infinit; o començar a l'infinit i acabar amb càrregues negatives; o formar bucles tancats que no comencen ni acaben amb cap càrrega. Les línies de camp magnètic sempre formen bucles tancats al voltant de conductors que transporten corrent perquè no hi ha càrregues magnètiques en física. En algunes fórmules matemàtiques, s'introdueixen càrregues magnètiques i corrents magnètics equivalents per mostrar la dualitat entre solucions que impliquen fonts d'energia i magnètiques.
Les línies de camp elèctric dibuixades entre dos conductors ajuden a mostrar la distribució de la càrrega. Si suposem que la font de tensió és sinusoidal, esperem que el camp elèctric entre els conductors també sigui sinusoidal amb un període igual al de la font. La magnitud relativa de la intensitat del camp elèctric està representada per la densitat de les línies de camp elèctric, i les fletxes indiquen la direcció relativa (positiva o negativa). La generació de camps elèctrics i magnètics variables en el temps entre els conductors forma una ona electromagnètica que es propaga al llarg de la línia de transmissió, com es mostra a la Figura 3(a). L'ona electromagnètica entra a l'antena amb la càrrega i el corrent corresponent. Si eliminem part de l'estructura de l'antena, com es mostra a la Figura 3(b), es pot formar una ona d'espai lliure "connectant" els extrems oberts de les línies de camp elèctric (mostrades per les línies de punts). L'ona d'espai lliure també és periòdica, però el punt de fase constant P0 es mou cap a l'exterior a la velocitat de la llum i recorre una distància de λ/2 (fins a P1) en la meitat d'un període de temps. A prop de l'antena, el punt de fase constant P0 es mou més ràpid que la velocitat de la llum i s'acosta a la velocitat de la llum en punts allunyats de l'antena. La figura 4 mostra la distribució del camp elèctric en l'espai lliure de l'antena λ∕2 a t = 0, t/8, t/4 i 3T/8.
Figura 4 Distribució del camp elèctric en espai lliure de l'antena λ∕2 a t = 0, t/8, t/4 i 3T/8
No se sap com les ones guiades se separen de l'antena i finalment es formen per propagar-se a l'espai lliure. Podem comparar les ones guiades i de l'espai lliure amb les ones d'aigua, que poden ser causades per una pedra que cau en una massa d'aigua tranquil·la o d'altres maneres. Un cop comença la pertorbació a l'aigua, es generen ones d'aigua que comencen a propagar-se cap a l'exterior. Fins i tot si la pertorbació s'atura, les ones no s'aturen sinó que continuen propagant-se cap endavant. Si la pertorbació persisteix, es generen constantment noves ones i la propagació d'aquestes ones va endarrerida respecte a les altres ones.
El mateix passa amb les ones electromagnètiques generades per pertorbacions elèctriques. Si la pertorbació elèctrica inicial de la font és de curta durada, les ones electromagnètiques generades es propaguen dins de la línia de transmissió, després entren a l'antena i finalment irradien com a ones d'espai lliure, tot i que l'excitació ja no és present (igual que les ones d'aigua i la pertorbació que van crear). Si la pertorbació elèctrica és contínua, les ones electromagnètiques existeixen contínuament i les segueixen de prop durant la propagació, com es mostra a l'antena bicònica que es mostra a la Figura 5. Quan les ones electromagnètiques es troben dins de les línies de transmissió i les antenes, la seva existència està relacionada amb l'existència de càrrega elèctrica dins del conductor. Tanmateix, quan les ones s'irradien, formen un bucle tancat i no hi ha càrrega per mantenir la seva existència. Això ens porta a la conclusió que:
L'excitació del camp requereix l'acceleració i la desacceleració de la càrrega, però el manteniment del camp no requereix l'acceleració i la desacceleració de la càrrega.
Figura 5
3. Radiació dipolar
Intentem explicar el mecanisme pel qual les línies de camp elèctric es desprenen de l'antena i formen ones en l'espai lliure, i prenem l'antena dipolar com a exemple. Tot i que és una explicació simplificada, també permet veure intuïtivament la generació d'ones en l'espai lliure. La figura 6(a) mostra les línies de camp elèctric generades entre els dos braços del dipol quan les línies de camp elèctric es mouen cap a l'exterior λ∕4 durant el primer quart del cicle. Per a aquest exemple, suposem que el nombre de línies de camp elèctric formades és 3. Durant el següent quart del cicle, les tres línies de camp elèctric originals es mouen λ∕4 més (un total de λ∕2 des del punt inicial), i la densitat de càrrega del conductor comença a disminuir. Es pot considerar que es forma per la introducció de càrregues oposades, que cancel·len les càrregues del conductor al final de la primera meitat del cicle. Les línies de camp elèctric generades per les càrregues oposades són 3 i es mouen una distància de λ∕4, que es representa amb les línies de punts de la figura 6(b).
El resultat final és que hi ha tres línies de camp elèctric descendents a la primera distància λ∕4 i el mateix nombre de línies de camp elèctric ascendents a la segona distància λ∕4. Com que no hi ha càrrega neta a l'antena, cal forçar les línies de camp elèctric a separar-se del conductor i combinar-se per formar un bucle tancat. Això es mostra a la Figura 6(c). A la segona meitat, es segueix el mateix procés físic, però cal tenir en compte que la direcció és oposada. Després d'això, el procés es repeteix i continua indefinidament, formant una distribució de camp elèctric similar a la Figura 4.
Figura 6
Per a més informació sobre les antenes, visiteu:
Data de publicació: 20 de juny de 2024
