Wenn es darum gehtAntennenDie Frage, die die Menschen am meisten beschäftigt, ist: „Wie wird Strahlung eigentlich erreicht?“Wie breitet sich das von der Signalquelle erzeugte elektromagnetische Feld durch die Übertragungsleitung und innerhalb der Antenne aus und „trennt“ sich schließlich von der Antenne, um eine Freiraumwelle zu bilden?
1. Einzeldrahtstrahlung
Nehmen wir an, dass die Ladungsdichte, ausgedrückt als qv (Coulomb/m3), gleichmäßig in einem kreisförmigen Draht mit einer Querschnittsfläche von a und einem Volumen von V verteilt ist, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1
Die Gesamtladung Q im Volumen V bewegt sich in z-Richtung mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit Vz (m/s).Es lässt sich beweisen, dass die Stromdichte Jz am Querschnitt des Drahtes ist:
Jz = qv vz （1）
Wenn der Draht aus einem idealen Leiter besteht, beträgt die Stromdichte Js auf der Drahtoberfläche:
Js = qs vz （2）
Wobei qs die Oberflächenladungsdichte ist.Wenn der Draht sehr dünn ist (idealerweise beträgt der Radius 0), kann der Strom im Draht ausgedrückt werden als:
Iz = ql vz (3)
Dabei ist ql (Coulomb/Meter) die Ladung pro Längeneinheit.
Wir befassen uns hauptsächlich mit dünnen Drähten und die Schlussfolgerungen gelten für die oben genannten drei Fälle.Wenn der Strom zeitlich veränderlich ist, lautet die Ableitung der Formel (3) nach der Zeit wie folgt:
(4)
az ist die Ladungsbeschleunigung.Wenn die Drahtlänge l beträgt, kann (4) wie folgt geschrieben werden:
(5)
Gleichung (5) ist die grundlegende Beziehung zwischen Strom und Ladung sowie die grundlegende Beziehung zwischen elektromagnetischer Strahlung.Einfach ausgedrückt: Um Strahlung zu erzeugen, muss ein zeitlich veränderlicher Strom oder eine Beschleunigung (oder Verlangsamung) der Ladung vorhanden sein.Normalerweise erwähnen wir Strom in zeitharmonischen Anwendungen, und Ladung wird am häufigsten in transienten Anwendungen erwähnt.Um eine Ladungsbeschleunigung (oder -verzögerung) zu erzeugen, muss der Draht gebogen, gefaltet und diskontinuierlich sein.Wenn die Ladung in zeitlich harmonischer Bewegung schwingt, erzeugt sie auch eine periodische Ladungsbeschleunigung (oder -verzögerung) oder einen zeitlich veränderlichen Strom.Daher:
1) Wenn sich die Ladung nicht bewegt, gibt es keinen Strom und keine Strahlung.
2) Wenn sich die Ladung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt:
A.Wenn der Draht gerade und unendlich lang ist, gibt es keine Strahlung.
B.Wenn der Draht gebogen, gefaltet oder unterbrochen ist, wie in Abbildung 2 dargestellt, liegt Strahlung vor.
3) Wenn die Ladung im Laufe der Zeit schwankt, strahlt die Ladung auch dann ab, wenn der Draht gerade ist.
Figur 2
Ein qualitatives Verständnis des Strahlungsmechanismus kann durch Betrachtung einer gepulsten Quelle erlangt werden, die an einen offenen Draht angeschlossen ist, der über eine Last an seinem offenen Ende geerdet werden kann, wie in Abbildung 2(d) dargestellt.Wenn der Draht zum ersten Mal mit Strom versorgt wird, werden die Ladungen (freie Elektronen) im Draht durch die von der Quelle erzeugten elektrischen Feldlinien in Bewegung gesetzt.Da die Ladungen am Quellende des Drahts beschleunigt und bei der Reflexion an seinem Ende abgebremst werden (negative Beschleunigung relativ zur ursprünglichen Bewegung), wird an seinen Enden und entlang des Rests des Drahts ein Strahlungsfeld erzeugt.Die Beschleunigung der Ladungen erfolgt durch eine äußere Kraftquelle, die die Ladungen in Bewegung versetzt und das zugehörige Strahlungsfeld erzeugt.Die Abbremsung der Ladungen an den Drahtenden wird durch innere Kräfte erreicht, die mit dem induzierten Feld verbunden sind, das durch die Ansammlung konzentrierter Ladungen an den Drahtenden verursacht wird.Die inneren Kräfte gewinnen Energie aus der Ansammlung von Ladung, wenn ihre Geschwindigkeit an den Enden des Drahtes auf Null abnimmt.Daher sind die Beschleunigung der Ladungen aufgrund der Anregung durch das elektrische Feld und die Verlangsamung der Ladungen aufgrund der Diskontinuität oder glatten Kurve der Drahtimpedanz die Mechanismen für die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung.Obwohl sowohl die Stromdichte (Jc) als auch die Ladungsdichte (qv) Quellterme in den Maxwell-Gleichungen sind, wird die Ladung als eine grundlegendere Größe angesehen, insbesondere für transiente Felder.Obwohl diese Strahlungserklärung hauptsächlich für Übergangszustände verwendet wird, kann sie auch zur Erklärung stationärer Strahlung verwendet werden.
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2. Zweidrahtstrahlung
Schließen Sie eine Spannungsquelle an eine zweiadrige Übertragungsleitung an, die mit einer Antenne verbunden ist, wie in Abbildung 3(a) dargestellt.Durch Anlegen einer Spannung an die Zweidrahtleitung entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Leitern.Die elektrischen Feldlinien wirken auf die freien Elektronen (die sich leicht von Atomen trennen lassen), die mit jedem Leiter verbunden sind, und zwingen sie, sich zu bewegen.Durch die Bewegung von Ladungen entsteht Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt.
Figur 3
Wir haben akzeptiert, dass elektrische Feldlinien mit positiven Ladungen beginnen und mit negativen Ladungen enden.Natürlich können sie auch mit positiven Ladungen beginnen und im Unendlichen enden;oder im Unendlichen beginnen und mit negativen Ladungen enden;oder geschlossene Kreisläufe bilden, die weder mit Ladungen beginnen noch enden.Magnetische Feldlinien bilden immer geschlossene Schleifen um stromdurchflossene Leiter, da es in der Physik keine magnetischen Ladungen gibt.In einigen mathematischen Formeln werden äquivalente magnetische Ladungen und magnetische Ströme eingeführt, um die Dualität zwischen Lösungen mit Strom- und Magnetquellen zu veranschaulichen.
Die zwischen zwei Leitern gezogenen elektrischen Feldlinien helfen dabei, die Ladungsverteilung darzustellen.Wenn wir davon ausgehen, dass die Spannungsquelle sinusförmig ist, erwarten wir, dass das elektrische Feld zwischen den Leitern ebenfalls sinusförmig ist und eine Periode hat, die der der Quelle entspricht.Die relative Größe der elektrischen Feldstärke wird durch die Dichte der elektrischen Feldlinien dargestellt, und die Pfeile geben die relative Richtung an (positiv oder negativ).Die Erzeugung zeitlich veränderlicher elektrischer und magnetischer Felder zwischen den Leitern erzeugt eine elektromagnetische Welle, die sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitet, wie in Abbildung 3(a) dargestellt.Die elektromagnetische Welle gelangt mit der Ladung und dem entsprechenden Strom in die Antenne.Wenn wir einen Teil der Antennenstruktur entfernen, wie in Abbildung 3(b) gezeigt, kann eine Freiraumwelle durch „Verbinden“ der offenen Enden der elektrischen Feldlinien (dargestellt durch die gestrichelten Linien) erzeugt werden.Die Freiraumwelle ist ebenfalls periodisch, aber der Punkt P0 mit konstanter Phase bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen und legt in einer halben Zeitperiode eine Strecke von λ/2 (zu P1) zurück.In der Nähe der Antenne bewegt sich der Punkt P0 mit konstanter Phase schneller als die Lichtgeschwindigkeit und nähert sich an Punkten, die weiter von der Antenne entfernt sind, der Lichtgeschwindigkeit an.Abbildung 4 zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes im Freiraum der λ∕2-Antenne bei t = 0, t/8, t/4 und 3T/8.
Abbildung 4 Verteilung des elektrischen Feldes im freien Raum der λ∕2-Antenne bei t = 0, t/8, t/4 und 3T/8
Es ist nicht bekannt, wie die geführten Wellen von der Antenne getrennt werden und sich schließlich im freien Raum ausbreiten.Wir können geführte und freie Raumwellen mit Wasserwellen vergleichen, die durch einen in ein ruhiges Gewässer fallengelassenen Stein oder auf andere Weise verursacht werden können.Sobald die Störung im Wasser beginnt, werden Wasserwellen erzeugt, die sich nach außen ausbreiten.Selbst wenn die Störung aufhört, hören die Wellen nicht auf, sondern breiten sich weiter vorwärts aus.Wenn die Störung anhält, werden ständig neue Wellen erzeugt, und die Ausbreitung dieser Wellen hinkt den anderen Wellen hinterher.
Das Gleiche gilt für elektromagnetische Wellen, die durch elektrische Störungen erzeugt werden.Wenn die anfängliche elektrische Störung von der Quelle nur von kurzer Dauer ist, breiten sich die erzeugten elektromagnetischen Wellen innerhalb der Übertragungsleitung aus, treten dann in die Antenne ein und strahlen schließlich als Freiraumwellen ab, auch wenn die Anregung nicht mehr vorhanden ist (genau wie die Wasserwellen). und die Unruhe, die sie verursachten).Wenn die elektrische Störung kontinuierlich ist, existieren die elektromagnetischen Wellen kontinuierlich und folgen ihnen während der Ausbreitung dicht hinterher, wie in der bikonischen Antenne in Abbildung 5 dargestellt. Wenn elektromagnetische Wellen innerhalb von Übertragungsleitungen und Antennen vorhanden sind, hängt ihre Existenz mit der Existenz elektrischer Wellen zusammen Ladung im Inneren des Leiters.Wenn die Wellen jedoch abgestrahlt werden, bilden sie einen geschlossenen Kreislauf, und für die Aufrechterhaltung ihrer Existenz wird keine Gebühr erhoben.Dies führt uns zu dem Schluss, dass:
Die Erregung des Feldes erfordert eine Beschleunigung und Verzögerung der Ladung, die Aufrechterhaltung des Feldes erfordert jedoch keine Beschleunigung und Verzögerung der Ladung.
Abbildung 5
3. Dipolstrahlung
Wir versuchen den Mechanismus zu erklären, durch den sich die elektrischen Feldlinien von der Antenne lösen und Freiraumwellen bilden, und nehmen als Beispiel die Dipolantenne.Obwohl es sich um eine vereinfachte Erklärung handelt, ermöglicht sie den Menschen auch, die Entstehung von Freiraumwellen intuitiv zu erkennen.Abbildung 6(a) zeigt die elektrischen Feldlinien, die zwischen den beiden Armen des Dipols erzeugt werden, wenn sich die elektrischen Feldlinien im ersten Viertel des Zyklus um λ∕4 nach außen bewegen.Nehmen wir für dieses Beispiel an, dass die Anzahl der gebildeten elektrischen Feldlinien 3 beträgt. Im nächsten Viertel des Zyklus verschieben sich die ursprünglichen drei elektrischen Feldlinien um weitere λ∕4 (insgesamt λ∕2 vom Startpunkt). und die Ladungsdichte auf dem Leiter beginnt abzunehmen.Es kann davon ausgegangen werden, dass es durch die Einführung entgegengesetzter Ladungen entsteht, die die Ladungen auf dem Leiter am Ende der ersten Hälfte des Zyklus aufheben.Die durch die entgegengesetzten Ladungen erzeugten elektrischen Feldlinien sind 3 und bewegen sich über eine Strecke von λ∕4, die durch die gepunkteten Linien in Abbildung 6(b) dargestellt ist.
Das Endergebnis ist, dass es im ersten λ∕4-Abstand drei nach unten gerichtete elektrische Feldlinien und im zweiten λ∕4-Abstand die gleiche Anzahl nach oben gerichteter elektrischer Feldlinien gibt.Da auf der Antenne keine Nettoladung vorhanden ist, müssen die elektrischen Feldlinien gezwungen werden, sich vom Leiter zu trennen und sich zu einer geschlossenen Schleife zu verbinden.Dies ist in Abbildung 6(c) dargestellt.In der zweiten Hälfte folgt der gleiche physikalische Prozess, allerdings ist die Richtung umgekehrt.Danach wird der Vorgang wiederholt und auf unbestimmte Zeit fortgesetzt, wobei eine elektrische Feldverteilung ähnlich der in Abbildung 4 entsteht.
Abbildung 6
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20.06.2024
