Cando se trata deantenas, a pregunta que máis preocupa á xente é "Como se consegue realmente a radiación?". Como se propaga o campo electromagnético xerado pola fonte de sinal a través da liña de transmisión e dentro da antena e, finalmente, como se "separa" da antena para formar unha onda no espazo libre.
1. Radiación dun só fío
Supoñamos que a densidade de carga, expresada como qv (Coulomb/m3), está distribuída uniformemente nun fío circular cunha área de sección transversal de a e un volume de V, como se mostra na Figura 1.
Figura 1
A carga total Q no volume V móvese na dirección z a unha velocidade uniforme Vz (m/s). Pódese demostrar que a densidade de corrente Jz na sección transversal do fío é:
Jz = qv vz (1)
Se o fío está feito dun condutor ideal, a densidade de corrente Js na superficie do fío é:
Js = qs vz (2)
Onde qs é a densidade de carga superficial. Se o fío é moi delgado (idealmente, o raio é 0), a corrente no fío pódese expresar como:
Iz = ql vz (3)
Onde ql (coulomb/metro) é a carga por unidade de lonxitude.
Ocupámonos principalmente de fíos delgados, e as conclusións aplícanse aos tres casos anteriores. Se a corrente varía co tempo, a derivada da fórmula (3) con respecto ao tempo é a seguinte:
(4)
az é a aceleración da carga. Se a lonxitude do fío é l, (4) pódese escribir do seguinte xeito:
(5)
A ecuación (5) é a relación básica entre a corrente e a carga, e tamén a relación básica da radiación electromagnética. En poucas palabras, para producir radiación, debe haber unha corrente ou aceleración (ou desaceleración) da carga variable no tempo. Normalmente mencionamos a corrente en aplicacións harmónicas no tempo, e a carga menciónase con máis frecuencia en aplicacións transitorias. Para producir aceleración (ou desaceleración) da carga, o fío debe estar dobrado, pregado e descontinuo. Cando a carga oscila en movemento harmónico no tempo, tamén producirá unha aceleración (ou desaceleración) periódica da carga ou unha corrente variable no tempo. Polo tanto:
1) Se a carga non se move, non haberá corrente nin radiación.
2) Se a carga se move a unha velocidade constante:
a. Se o fío é recto e de lonxitude infinita, non hai radiación.
b. Se o fío está dobrado, pregado ou descontinuo, como se mostra na figura 2, hai radiación.
3) Se a carga oscila co tempo, a carga irradiará mesmo se o fío é recto.
Figura 2
Unha comprensión cualitativa do mecanismo de radiación pódese obter observando unha fonte pulsada conectada a un cable aberto que se pode conectar a terra a través dunha carga no seu extremo aberto, como se mostra na Figura 2(d). Cando o cable se energiza inicialmente, as cargas (electróns libres) do cable póñense en movemento polas liñas de campo eléctrico xeradas pola fonte. A medida que as cargas se aceleran no extremo da fonte do cable e se desaceleran (aceleración negativa en relación co movemento orixinal) cando se reflicten no seu extremo, xérase un campo de radiación nos seus extremos e ao longo do resto do cable. A aceleración das cargas conséguese mediante unha fonte de forza externa que pon as cargas en movemento e produce o campo de radiación asociado. A desaceleración das cargas nos extremos do cable conséguese mediante forzas internas asociadas ao campo inducido, que é causada pola acumulación de cargas concentradas nos extremos do cable. As forzas internas gañan enerxía da acumulación de carga a medida que a súa velocidade diminúe a cero nos extremos do cable. Polo tanto, a aceleración das cargas debido á excitación do campo eléctrico e a desaceleración das cargas debido á descontinuidade ou curva suave da impedancia do fío son os mecanismos para a xeración de radiación electromagnética. Aínda que tanto a densidade de corrente (Jc) como a densidade de carga (qv) son termos fonte nas ecuacións de Maxwell, a carga considérase unha cantidade máis fundamental, especialmente para campos transitorios. Aínda que esta explicación da radiación se usa principalmente para estados transitorios, tamén se pode usar para explicar a radiación en estado estacionario.
Recomendo varios excelentesprodutos de antenafabricado porRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Radiación de dous fíos
Conecta unha fonte de tensión a unha liña de transmisión de dous condutores conectada a unha antena, como se mostra na Figura 3(a). A aplicación de tensión á liña de dous fíos xera un campo eléctrico entre os condutores. As liñas de campo eléctrico actúan sobre os electróns libres (facilmente separables dos átomos) conectados a cada condutor e obríganos a moverse. O movemento das cargas xera corrente, que á súa vez xera un campo magnético.
Figura 3
Aceptamos que as liñas de campo eléctrico comezan con cargas positivas e rematan con cargas negativas. Por suposto, tamén poden comezar con cargas positivas e rematar no infinito; ou comezar no infinito e rematar con cargas negativas; ou formar bucles pechados que nin comezan nin rematan con ningunha carga. As liñas de campo magnético sempre forman bucles pechados arredor de condutores que transportan corrente porque en física non existen cargas magnéticas. Nalgunhas fórmulas matemáticas, introdúcense cargas magnéticas e correntes magnéticas equivalentes para mostrar a dualidade entre as solucións que implican fontes de enerxía e magnéticas.
As liñas de campo eléctrico debuxadas entre dous condutores axudan a mostrar a distribución da carga. Se asumimos que a fonte de tensión é sinusoidal, agardamos que o campo eléctrico entre os condutores tamén sexa sinusoidal cun período igual ao da fonte. A magnitude relativa da intensidade do campo eléctrico represéntase pola densidade das liñas de campo eléctrico e as frechas indican a dirección relativa (positiva ou negativa). A xeración de campos eléctricos e magnéticos variables no tempo entre os condutores forma unha onda electromagnética que se propaga ao longo da liña de transmisión, como se mostra na Figura 3(a). A onda electromagnética entra na antena coa carga e a corrente correspondente. Se eliminamos parte da estrutura da antena, como se mostra na Figura 3(b), pódese formar unha onda no espazo libre "conectando" os extremos abertos das liñas de campo eléctrico (mostradas polas liñas punteadas). A onda no espazo libre tamén é periódica, pero o punto de fase constante P0 móvese cara a fóra á velocidade da luz e percorre unha distancia de λ/2 (ata P1) en medio período de tempo. Preto da antena, o punto de fase constante P0 móvese máis rápido que a velocidade da luz e aproxímase á velocidade da luz en puntos afastados da antena. A figura 4 mostra a distribución do campo eléctrico no espazo libre da antena λ∕2 en t = 0, t/8, t/4 e 3T/8.
Figura 4 Distribución do campo eléctrico no espazo libre da antena λ∕2 en t = 0, t/8, t/4 e 3T/8
Non se sabe como as ondas guiadas se separan da antena e finalmente se forman para propagarse no espazo libre. Podemos comparar as ondas guiadas e do espazo libre coas ondas da auga, que poden ser causadas por unha pedra que cae nunha masa de auga tranquila ou doutros xeitos. Unha vez que comeza a perturbación na auga, xéranse ondas de auga que comezan a propagarse cara a fóra. Mesmo se a perturbación se detén, as ondas non se deteñen, senón que continúan propagándose cara adiante. Se a perturbación persiste, xéranse constantemente novas ondas e a propagación destas ondas vai por detrás das outras ondas.
O mesmo ocorre coas ondas electromagnéticas xeradas por perturbacións eléctricas. Se a perturbación eléctrica inicial da fonte é de curta duración, as ondas electromagnéticas xeradas propáganse dentro da liña de transmisión, logo entran na antena e finalmente irradian como ondas no espazo libre, mesmo que a excitación xa non estea presente (igual que as ondas da auga e a perturbación que crearon). Se a perturbación eléctrica é continua, as ondas electromagnéticas existen continuamente e séguenas de preto durante a propagación, como se mostra na antena bicónica que se mostra na Figura 5. Cando as ondas electromagnéticas están dentro das liñas de transmisión e antenas, a súa existencia está relacionada coa existencia de carga eléctrica dentro do condutor. Non obstante, cando as ondas se irradian, forman un bucle pechado e non hai carga para manter a súa existencia. Isto lévanos á conclusión de que:
A excitación do campo require aceleración e desaceleración da carga, pero o mantemento do campo non require aceleración nin desaceleración da carga.
Figura 5
3. Radiación dipolar
Tentamos explicar o mecanismo polo cal as liñas de campo eléctrico se separan da antena e forman ondas no espazo libre, e tomamos a antena dipolo como exemplo. Aínda que é unha explicación simplificada, tamén permite que as persoas vexan intuitivamente a xeración de ondas no espazo libre. A figura 6(a) mostra as liñas de campo eléctrico xeradas entre os dous brazos do dipolo cando as liñas de campo eléctrico se moven cara a fóra λ∕4 no primeiro cuarto do ciclo. Para este exemplo, supoñamos que o número de liñas de campo eléctrico formadas é 3. No seguinte cuarto do ciclo, as tres liñas de campo eléctrico orixinais móvense outras λ∕4 (un total de λ∕2 desde o punto de partida) e a densidade de carga no condutor comeza a diminuír. Pódese considerar que se forma pola introdución de cargas opostas, que cancelan as cargas no condutor ao final da primeira metade do ciclo. As liñas de campo eléctrico xeradas polas cargas opostas son 3 e móvense unha distancia de λ∕4, que se representa coas liñas punteadas na figura 6(b).
O resultado final é que hai tres liñas de campo eléctrico descendentes na primeira distancia λ∕4 e o mesmo número de liñas de campo eléctrico ascendentes na segunda distancia λ∕4. Dado que non hai carga neta na antena, as liñas de campo eléctrico deben ser forzadas a separarse do condutor e combinarse para formar un bucle pechado. Isto móstrase na Figura 6(c). Na segunda metade, séguese o mesmo proceso físico, pero téñase en conta que a dirección é oposta. Despois diso, o proceso repítese e continúa indefinidamente, formando unha distribución de campo eléctrico similar á Figura 4.
Figura 6
Para saber máis sobre antenas, visita:
Data de publicación: 20 de xuño de 2024
