وقتی صحبت ازآنتنهاسوالی که مردم بیشتر نگران آن هستند این است که «تابش در واقع چگونه حاصل میشود؟» میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط منبع سیگنال چگونه از طریق خط انتقال و درون آنتن منتشر میشود و در نهایت از آنتن «جدا» میشود تا یک موج فضای آزاد تشکیل دهد.
۱. تابش تک سیم
فرض کنید چگالی بار، که با qv (کولن بر متر مکعب) بیان میشود، به طور یکنواخت در یک سیم دایرهای با سطح مقطع a و حجم V، مطابق شکل 1، توزیع شده است.
شکل ۱
بار کل Q در حجم V با سرعت یکنواخت Vz (متر بر ثانیه) در جهت z حرکت میکند. میتوان ثابت کرد که چگالی جریان Jz روی سطح مقطع سیم برابر است با:
Jz = qv vz (1)
اگر سیم از یک رسانای ایدهآل ساخته شده باشد، چگالی جریان Js روی سطح سیم برابر است با:
Js = qs vz (2)
که در آن qs چگالی بار سطحی است. اگر سیم بسیار نازک باشد (در حالت ایدهآل، شعاع صفر است)، جریان در سیم را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
Iz = ql vz (3)
که در آن ql (کولن بر متر) بار الکتریکی بر واحد طول است.
ما عمدتاً نگران سیمهای نازک هستیم و نتایج برای سه مورد فوق صدق میکند. اگر جریان متغیر با زمان باشد، مشتق فرمول (3) نسبت به زمان به شرح زیر است:
(4)
az شتاب بار است. اگر طول سیم l باشد، (4) را میتوان به صورت زیر نوشت:
(5)
معادله (5) رابطه اساسی بین جریان و بار و همچنین رابطه اساسی تابش الکترومغناطیسی است. به عبارت ساده، برای تولید تابش، باید جریان متغیر با زمان یا شتاب (یا کاهش سرعت) بار وجود داشته باشد. ما معمولاً جریان را در کاربردهای هارمونیک زمانی ذکر میکنیم و بار اغلب در کاربردهای گذرا ذکر میشود. برای تولید شتاب (یا کاهش سرعت) بار، سیم باید خم، تا شده و ناپیوسته باشد. هنگامی که بار در حرکت هارمونیک زمانی نوسان میکند، شتاب (یا کاهش سرعت) بار یا جریان متغیر با زمان را نیز تولید میکند. بنابراین:
۱) اگر بار حرکت نکند، جریان و تابشی وجود نخواهد داشت.
۲) اگر بار با سرعت ثابت حرکت کند:
الف) اگر سیم مستقیم و با طول نامحدود باشد، هیچ تابشی وجود ندارد.
ب. اگر سیم خم شده، تا شده یا ناپیوسته باشد، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، تابش وجود دارد.
۳) اگر بار الکتریکی با گذشت زمان نوسان کند، حتی اگر سیم مستقیم باشد، بار تابش میکند.
شکل ۲
با نگاه کردن به یک منبع پالسی متصل به یک سیم باز که میتواند از طریق باری در انتهای باز آن به زمین متصل شود، همانطور که در شکل 2 (d) نشان داده شده است، میتوان درک کیفی از مکانیسم تابش را بدست آورد. هنگامی که سیم در ابتدا انرژی میگیرد، بارها (الکترونهای آزاد) در سیم توسط خطوط میدان الکتریکی تولید شده توسط منبع به حرکت در میآیند. هنگامی که بارها در انتهای منبع سیم شتاب میگیرند و هنگام انعکاس در انتهای آن کاهش سرعت مییابند (شتاب منفی نسبت به حرکت اولیه)، یک میدان تابشی در انتهای آن و در امتداد بقیه سیم ایجاد میشود. شتاب بارها توسط یک منبع نیروی خارجی انجام میشود که بارها را به حرکت در میآورد و میدان تابشی مرتبط را تولید میکند. کاهش سرعت بارها در انتهای سیم توسط نیروهای داخلی مرتبط با میدان القایی انجام میشود که ناشی از تجمع بارهای متمرکز در انتهای سیم است. نیروهای داخلی از تجمع بار انرژی میگیرند زیرا سرعت آن در انتهای سیم به صفر کاهش مییابد. بنابراین، شتاب گرفتن بارها به دلیل تحریک میدان الکتریکی و کاهش شتاب آنها به دلیل ناپیوستگی یا منحنی صاف امپدانس سیم، مکانیسمهای تولید تابش الکترومغناطیسی هستند. اگرچه چگالی جریان (Jc) و چگالی بار (qv) هر دو عبارات منبع در معادلات ماکسول هستند، اما بار به عنوان یک کمیت اساسیتر، به ویژه برای میدانهای گذرا، در نظر گرفته میشود. اگرچه این توضیح تابش عمدتاً برای حالتهای گذرا استفاده میشود، اما میتواند برای توضیح تابش حالت پایدار نیز مورد استفاده قرار گیرد.
چندین مورد عالی را توصیه کنیدمحصولات آنتنتولید شده توسطآر اف ام ایزو:
RM-تی سی آر۴۰۶.۴
RM-BCA082-۴ (۰.۸-۲ گیگاهرتز)
RM-SWA910-22 (9-10 گیگاهرتز)
۲. تابش دو سیمه
یک منبع ولتاژ را به یک خط انتقال دو سیمه متصل به یک آنتن، همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است، وصل کنید. اعمال ولتاژ به خط دو سیمه، یک میدان الکتریکی بین هادیها ایجاد میکند. خطوط میدان الکتریکی بر روی الکترونهای آزاد (که به راحتی از اتمها جدا میشوند) متصل به هر هادی عمل میکنند و آنها را مجبور به حرکت میکنند. حرکت بارها جریانی ایجاد میکند که به نوبه خود یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند.
شکل ۳
ما پذیرفتهایم که خطوط میدان الکتریکی با بارهای مثبت شروع میشوند و به بارهای منفی ختم میشوند. البته، آنها همچنین میتوانند با بارهای مثبت شروع شوند و در بینهایت پایان یابند؛ یا از بینهایت شروع شوند و به بارهای منفی پایان یابند؛ یا حلقههای بستهای تشکیل دهند که نه با هیچ باری شروع میشوند و نه با هیچ باری پایان مییابند. خطوط میدان مغناطیسی همیشه حلقههای بستهای را در اطراف رساناهای حامل جریان تشکیل میدهند زیرا در فیزیک هیچ بار مغناطیسی وجود ندارد. در برخی از فرمولهای ریاضی، بارهای مغناطیسی معادل و جریانهای مغناطیسی برای نشان دادن دوگانگی بین راهحلهای مربوط به منابع توان و مغناطیسی معرفی میشوند.
خطوط میدان الکتریکی رسم شده بین دو هادی به نمایش توزیع بار کمک میکنند. اگر فرض کنیم منبع ولتاژ سینوسی است، انتظار داریم میدان الکتریکی بین هادیها نیز سینوسی با دوره تناوب برابر با منبع باشد. بزرگی نسبی قدرت میدان الکتریکی با چگالی خطوط میدان الکتریکی نشان داده میشود و فلشها جهت نسبی (مثبت یا منفی) را نشان میدهند. تولید میدانهای الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان بین هادیها، یک موج الکترومغناطیسی را تشکیل میدهد که در امتداد خط انتقال منتشر میشود، همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است. موج الکترومغناطیسی با بار و جریان مربوطه وارد آنتن میشود. اگر بخشی از ساختار آنتن را حذف کنیم، همانطور که در شکل 3 (ب) نشان داده شده است، میتوان با "اتصال" انتهای باز خطوط میدان الکتریکی (که با خطوط نقطهچین نشان داده شدهاند) یک موج فضای آزاد تشکیل داد. موج فضای آزاد نیز تناوبی است، اما نقطه فاز ثابت P0 با سرعت نور به سمت بیرون حرکت میکند و مسافت λ/2 (تا P1) را در نیم دوره زمانی طی میکند. نزدیک آنتن، نقطه فاز ثابت P0 سریعتر از سرعت نور حرکت میکند و در نقاط دور از آنتن به سرعت نور نزدیک میشود. شکل ۴ توزیع میدان الکتریکی فضای آزاد آنتن λ∕2 را در t = 0، t/8، t/4 و 3T/8 نشان میدهد.
شکل 4 توزیع میدان الکتریکی فضای آزاد آنتن λ∕2 در t = 0، t/8، t/4 و 3T/8
مشخص نیست که امواج هدایتشده چگونه از آنتن جدا میشوند و در نهایت برای انتشار در فضای آزاد شکل میگیرند. میتوانیم امواج فضای هدایتشده و آزاد را با امواج آب مقایسه کنیم که میتوانند در اثر افتادن سنگی در یک توده آب آرام یا به روشهای دیگر ایجاد شوند. به محض شروع اختلال در آب، امواج آب تولید میشوند و شروع به انتشار به سمت بیرون میکنند. حتی اگر اختلال متوقف شود، امواج متوقف نمیشوند بلکه به انتشار رو به جلو ادامه میدهند. اگر اختلال ادامه یابد، امواج جدید دائماً تولید میشوند و انتشار این امواج از امواج دیگر عقب میماند.
همین امر در مورد امواج الکترومغناطیسی تولید شده توسط اختلالات الکتریکی نیز صادق است. اگر اختلال الکتریکی اولیه از منبع کوتاه مدت باشد، امواج الکترومغناطیسی تولید شده در داخل خط انتقال منتشر میشوند، سپس وارد آنتن میشوند و در نهایت به صورت امواج فضای آزاد تابش میکنند، حتی اگر دیگر تحریکی وجود نداشته باشد (درست مانند امواج آب و اختلالی که ایجاد کردهاند). اگر اختلال الکتریکی پیوسته باشد، امواج الکترومغناطیسی به طور مداوم وجود دارند و در طول انتشار از نزدیک پشت سر آنها حرکت میکنند، همانطور که در آنتن دو مخروطی نشان داده شده در شکل 5 نشان داده شده است. هنگامی که امواج الکترومغناطیسی در داخل خطوط انتقال و آنتنها هستند، وجود آنها به وجود بار الکتریکی در داخل هادی مربوط میشود. با این حال، هنگامی که امواج تابش میشوند، یک حلقه بسته تشکیل میدهند و هیچ باری برای حفظ وجود آنها وجود ندارد. این ما را به این نتیجه میرساند که:
تحریک میدان نیاز به شتابدهی و کاهش سرعت بار دارد، اما حفظ میدان نیازی به شتابدهی و کاهش سرعت بار ندارد.
شکل ۵
۳. تابش دوقطبی
ما سعی میکنیم مکانیسمی را که خطوط میدان الکتریکی از طریق آن از آنتن جدا میشوند و امواج فضای آزاد تشکیل میدهند، توضیح دهیم و آنتن دوقطبی را به عنوان مثال در نظر میگیریم. اگرچه این یک توضیح ساده است، اما به افراد این امکان را میدهد که به طور شهودی تولید امواج فضای آزاد را ببینند. شکل 6 (الف) خطوط میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو بازوی دوقطبی را نشان میدهد که وقتی خطوط میدان الکتریکی در ربع اول چرخه به اندازه λ∕4 به سمت بیرون حرکت میکنند. برای این مثال، فرض میکنیم که تعداد خطوط میدان الکتریکی تشکیل شده 3 است. در ربع بعدی چرخه، سه خط میدان الکتریکی اصلی به اندازه λ∕4 دیگر (در مجموع λ∕2 از نقطه شروع) حرکت میکنند و چگالی بار روی رسانا شروع به کاهش میکند. میتوان آن را با معرفی بارهای مخالف که بارهای روی رسانا را در پایان نیمه اول چرخه خنثی میکنند، تشکیل شده در نظر گرفت. خطوط میدان الکتریکی تولید شده توسط بارهای مخالف 3 هستند و به اندازه λ∕4 حرکت میکنند که با خطوط نقطهچین در شکل 6 (ب) نشان داده شده است.
نتیجه نهایی این است که در فاصله اول λ∕4 سه خط میدان الکتریکی رو به پایین و در فاصله دوم λ∕4 به همان تعداد خطوط میدان الکتریکی رو به بالا وجود دارد. از آنجایی که هیچ بار خالصی روی آنتن وجود ندارد، خطوط میدان الکتریکی باید مجبور شوند از رسانا جدا شده و با هم ترکیب شوند تا یک حلقه بسته تشکیل دهند. این در شکل 6 (c) نشان داده شده است. در نیمه دوم، همان فرآیند فیزیکی دنبال میشود، اما توجه داشته باشید که جهت آن برعکس است. پس از آن، این فرآیند تکرار میشود و به طور نامحدود ادامه مییابد و توزیع میدان الکتریکی مشابه شکل 4 را تشکیل میدهد.
شکل ۶
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتنها، لطفاً به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: 20 ژوئن 2024
