Wenn es darum gehtAntennenDie Frage, die die Menschen am meisten beschäftigt, lautet: „Wie wird Strahlung eigentlich erzeugt?“ 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), in einem kreisförmigen Draht mit einer Querschnittsfläche von a und einem Volumen von V gleichmäßig 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 im Querschnitt des Drahtes beträgt:
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. Bei sehr dünnem Draht (idealerweise Radius 0) lässt sich der Stromfluss wie folgt ausdrücken:
Iz = ql vz (3)
Wobei ql (Coulomb/Meter) die Ladung pro Längeneinheit ist.
Wir beschäftigen uns hauptsächlich mit dünnen Drähten, und die Schlussfolgerungen gelten für die drei oben genannten Fälle. Bei zeitveränderlichem Strom ergibt sich die Ableitung von Formel (3) nach der Zeit wie folgt:
(4)
az ist die Ladungsbeschleunigung. Wenn die Drahtlänge l ist, kann (4) wie folgt geschrieben werden:
(5)
Gleichung (5) beschreibt die grundlegende Beziehung zwischen Strom und Ladung sowie die grundlegende Beziehung elektromagnetischer Strahlung. Vereinfacht ausgedrückt: Um Strahlung zu erzeugen, ist ein zeitlich veränderlicher Strom oder eine zeitlich veränderliche Ladungsbeschleunigung (oder -verzögerung) erforderlich. Wir sprechen üblicherweise von Strom in zeitharmonischen Anwendungen, von Ladung meist in transienten Anwendungen. Um eine Ladungsbeschleunigung (oder -verzögerung) zu erzeugen, muss der Draht gebogen, gefaltet und diskontinuierlich sein. Schwingt die Ladung in zeitlich harmonischer Bewegung, 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 schwingt, strahlt die Ladung auch dann, wenn der Draht gerade ist.
Abbildung 2
Ein qualitatives Verständnis des Strahlungsmechanismus erhält man durch die Betrachtung einer gepulsten Quelle, die an einen offenen Draht angeschlossen ist, der über eine Last am offenen Ende geerdet werden kann (siehe Abbildung 2(d). Wird der Draht zunächst mit Energie versorgt, werden die Ladungen (freie Elektronen) im Draht durch die von der Quelle erzeugten elektrischen Feldlinien in Bewegung versetzt. Da die Ladungen am Drahtende der Quelle beschleunigt und bei der Reflexion am Drahtende abgebremst werden (negative Beschleunigung relativ zur ursprünglichen Bewegung), entsteht an den Drahtenden und entlang des restlichen Drahtes ein Strahlungsfeld. Die Beschleunigung der Ladungen erfolgt durch eine externe Kraftquelle, die die Ladungen in Bewegung versetzt und das zugehörige Strahlungsfeld erzeugt. Die Abbremsung der Ladungen an den Drahtenden erfolgt durch innere Kräfte, die mit dem induzierten Feld verbunden sind, das durch die Ansammlung konzentrierter Ladungen an den Drahtenden entsteht. Die inneren Kräfte gewinnen Energie durch die Ladungsakkumulation, da deren Geschwindigkeit an den Drahtenden auf Null abnimmt. Die Beschleunigung der Ladungen durch die Anregung des elektrischen Feldes und die Verzögerung der Ladungen durch die Diskontinuität oder den glatten Verlauf der Drahtimpedanz sind daher die Mechanismen für die Entstehung elektromagnetischer Strahlung. Obwohl sowohl Stromdichte (Jc) als auch Ladungsdichte (qv) Quellterme in den Maxwell-Gleichungen sind, gilt Ladung als grundlegendere Größe, insbesondere für transiente Felder. Obwohl diese Erklärung von Strahlung hauptsächlich für transiente Zustände verwendet wird, kann sie auch zur Erklärung stationärer Strahlung herangezogen werden.
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2. Zweidrahtstrahlung
Schließen Sie eine Spannungsquelle an eine zweiadrige Übertragungsleitung an, die mit einer Antenne verbunden ist (siehe Abbildung 3(a). Durch Anlegen einer Spannung an die zweiadrige Leitung 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 zur Bewegung. Die Ladungsbewegung erzeugt Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt.
Abbildung 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 Schleifen bilden, die weder mit Ladungen beginnen noch enden. Magnetische Feldlinien bilden immer geschlossene Schleifen um stromführende 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 verdeutlichen.
Die zwischen zwei Leitern eingezeichneten elektrischen Feldlinien veranschaulichen die Ladungsverteilung. Geht man von einer sinusförmigen Spannungsquelle aus, erwartet man, dass auch das elektrische Feld zwischen den Leitern sinusförmig ist und eine Periode aufweist, die der der Quelle entspricht. Die relative Stärke des elektrischen Feldes wird durch die Dichte der elektrischen Feldlinien dargestellt, und die Pfeile zeigen die relative Richtung (positiv oder negativ) an. Die zeitlich veränderlichen elektrischen und magnetischen Felder zwischen den Leitern bilden eine elektromagnetische Welle, die sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitet (siehe Abbildung 3(a). Die elektromagnetische Welle gelangt mit der Ladung und dem entsprechenden Strom in die Antenne. Entfernt man einen Teil der Antennenstruktur (siehe Abbildung 3(b), kann durch Verbinden der offenen Enden der elektrischen Feldlinien (gestrichelt dargestellt) eine Freiraumwelle entstehen. Die Freiraumwelle ist ebenfalls periodisch, jedoch bewegt sich der Punkt P0 mit konstanter Phase mit Lichtgeschwindigkeit nach außen und legt in einer halben Periode eine Strecke von λ/2 (bis P1) zurück. In der Nähe der Antenne bewegt sich der Punkt P0 mit konstanter Phase schneller als Lichtgeschwindigkeit und nähert sich an Punkten, die weit von der Antenne entfernt sind, der Lichtgeschwindigkeit. Abbildung 4 zeigt die Verteilung des elektrischen Felds im freien Raum der λ∕2-Antenne bei t = 0, t/8, t/4 und 3T/8.
Abbildung 4 Elektrische Feldverteilung 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 und schließlich so geformt werden, dass sie sich im freien Raum ausbreiten. Geführte und freie Raumwellen lassen sich mit Wasserwellen vergleichen, die beispielsweise durch einen in ein ruhiges Gewässer fallenden Stein oder auf andere Weise entstehen können. Sobald die Störung im Wasser beginnt, entstehen Wasserwellen, die sich nach außen ausbreiten. Selbst wenn die Störung aufhört, hören die Wellen nicht auf, sondern breiten sich weiter aus. Bleibt die Störung bestehen, entstehen ständig neue Wellen, deren Ausbreitung hinter den anderen Wellen zurückbleibt.
Dasselbe gilt für elektromagnetische Wellen, die durch elektrische Störungen erzeugt werden. Wenn die anfängliche elektrische Störung 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, obwohl die Anregung nicht mehr vorhanden ist (genau wie bei den Wasserwellen und der von ihnen verursachten Störung). Bei einer anhaltenden elektrischen Störung existieren die elektromagnetischen Wellen kontinuierlich und folgen ihr während der Ausbreitung dicht auf den Fersen, wie die doppelkegelförmige Antenne in Abbildung 5 zeigt. Wenn sich elektromagnetische Wellen innerhalb von Übertragungsleitungen und Antennen befinden, hängt ihre Existenz mit der elektrischen Ladung im Leiter zusammen. Werden die Wellen jedoch abgestrahlt, bilden sie eine geschlossene Schleife, und es ist keine Ladung vorhanden, die ihre Existenz aufrechterhält. Dies führt uns zu folgendem Schluss:
Die Anregung 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 dabei die Dipolantenne als Beispiel. Obwohl diese Erklärung vereinfacht ist, lässt sie die Entstehung von Freiraumwellen intuitiv erkennen. Abbildung 6(a) zeigt die zwischen den beiden Armen des Dipols erzeugten elektrischen Feldlinien, wenn sich die elektrischen Feldlinien im ersten Viertel des Zyklus um λ∕4 nach außen bewegen. Für dieses Beispiel gehen wir davon aus, dass die Anzahl der gebildeten elektrischen Feldlinien 3 beträgt. Im nächsten Viertel des Zyklus bewegen sich die ursprünglichen drei elektrischen Feldlinien um weitere λ∕4 (insgesamt λ∕2 vom Ausgangspunkt), und die Ladungsdichte auf dem Leiter beginnt abzunehmen. Man kann davon ausgehen, dass dies durch die Einführung entgegengesetzter Ladungen entsteht, die die Ladungen auf dem Leiter am Ende der ersten Zyklushälfte aufheben. Die durch die entgegengesetzten Ladungen erzeugten elektrischen Feldlinien betragen 3 und bewegen sich über eine Distanz von λ∕4, die durch die gepunkteten Linien in Abbildung 6(b) dargestellt ist.
Das Endergebnis ist, dass es drei nach unten gerichtete elektrische Feldlinien in der ersten λ∕4-Distanz und die gleiche Anzahl nach oben gerichteter elektrischer Feldlinien in der zweiten λ∕4-Distanz gibt. Da sich auf der Antenne keine Nettoladung befindet, müssen sich die elektrischen Feldlinien vom Leiter lösen und zu einer geschlossenen Schleife zusammenschließen. Dies ist in Abbildung 6(c) dargestellt. In der zweiten Hälfte wird der gleiche physikalische Prozess wiederholt, allerdings ist die Richtung entgegengesetzt. Danach wiederholt sich der Prozess und setzt sich unendlich fort, wodurch eine elektrische Feldverteilung ähnlich der in Abbildung 4 entsteht.
Abbildung 6
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Veröffentlichungszeit: 20. Juni 2024
