10.1: Як випромінюють антени

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30831

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Антена - це перетворювач; тобто пристрій, який перетворює сигнали в одній формі в іншу форму. У випадку антени, ці дві форми є (1) провідником пов'язані напругою і струмом сигнали і (2) електромагнітні хвилі. Традиційні пасивні антени здатні до цього перетворення в будь-якому напрямку. У цьому розділі розглянемо випадок передачі, в якому пов'язаний з провідником сигнал перетворюється в випромінюючу електромагнітну хвилю. Випромінювання від антени обумовлено змінним часом струмом, який збуджується пов'язаним електричним сигналом, що подається на клеми антени.

Чому ідеальні лінії електропередачі не випромінюють

Щоб описати процес, який дозволяє передавати антену, корисно спочатку розглянути сценарій, зображений на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Твін свинцю лінії передачі закінчився в розімкнутому ланцюзі, породжуючи стоячу хвилю. (CC BY-SA 4.0; S. Lally)

Тут синусоїдальний джерело подається на вхід ідеальної подвійної лінії електропередачі. Відстань між провідниками набагато менше довжини хвилі, а вихід лінії електропередачі закінчується в обрив ланцюга.

Без будь-якої додаткової інформації ми вже знаємо дві речі про струм на цій лінії електропередачі. По-перше, ми знаємо, що струм повинен бути однаково нульовим в кінці ЛЕП. По-друге, ми знаємо, що струм на двох провідниках, що містять лінію електропередачі, повинен бути пов'язаний, як зазначено на малюнку\(\PageIndex{1}\). Тобто при будь-якому заданому положенні на лінії електропередачі струм на кожному провіднику дорівнює за величиною і протікає в протилежних напрямках.

Далі відзначимо, що на малюнку\(\PageIndex{1}\) зображена лише ситуація протягом інтервалу в половину періоду синусоїдального джерела. Для іншого півперіоду напрямок струму буде в напрямку, протилежному тому, що зображено на малюнку\(\PageIndex{1}\). Іншими словами: джерело періодично змінюється, тому ознака струму змінюється кожен півперіод. Як правило, струми, що змінюються в часі, породжують випромінювання. Тому слід очікувати, що струми, зображені на малюнку,\(\PageIndex{1}\) можуть випромінювати. Ми можемо оцінити випромінювання від лінії електропередачі, інтерпретувавши струм як сукупність диполів Герца. Огляд диполів Герціана див. Розділ 9.4; однак все, що нам потрібно знати для вирішення цієї проблеми, - це те, що застосовується суперпозиція. Тобто сумарне випромінювання - це сума випромінювання від окремих герціанових диполів. Ще раз озираючись назад на рисунок\(\PageIndex{1}\), зверніть увагу, що кожен диполь Герца, що представляє струм на одному провіднику, має пов'язаний герцианський диполь, що представляє струм на іншому провіднику, і є лише крихітною часткою відстані довжини хвилі. Крім того, ці пари герціанських диполів ідентичні за величиною, але протилежні за знаком. Тому випромінюване поле від будь-якої такої пари герціанових диполів дорівнює приблизно нулю на відстанях, досить далеких від лінії електропередачі. Продовжуючи підсумувати всі такі пари герцианських диполів, випромінюване поле залишається приблизно нульовим на відстанях, досить далеких від лінії електропередачі. Ми приходимо до наступного чудового висновку:

Випромінювання від ідеальної подвійної лінії електропередачі з закінченням розімкнутого ланцюга незначне на відстанях, набагато більших, ніж поділ між провідниками.

Перш ніж приступити, давайте зрозуміємо одне: ситуація на відстанях, які не великі щодо поділу між провідниками, зовсім інша. Це пов'язано з тим, що герціанські дипольні пари, здається, не так точно розташовані в польових точках, близьких до лінії електропередачі. Згодом скасування полів з дипольних пар Герца є менш точним. Отримані поля суми не мізерно малі і залежать від поділу між провідниками. Для сьогоднішньої дискусії достатньо обмежити нашу увагу більш простим випадком «далекого поля».

Проста антена, утворена шляхом модифікації близнюків свинцевої лінії передачі

Розглянемо тепер модифікацію попереднього сценарію, показаного на малюнку\(\PageIndex{2}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Кінець подвійної лінії передачі, сформованої в електрично-короткий диполь (ESD). (CC BY-SA 4.0; S Lally)

У новому розкладі кінці близнюка відгинаються в прямі кути. Ця нова секція має загальну довжину, яка набагато менше половини довжини хвилі. Щоб визначити розподіл струму на зміненому перетині, спочатку відзначимо, що струм все одно повинен бути точно нулем на кінцях провідників, але не обов'язково в тій точці, в якій вони зігнуті. Оскільки модифікований перетин набагато коротше половини довжини хвилі, розподіл струму на цій ділянці повинен бути дуже простим. Насправді розподіл струму повинен бути розподілом електрично-короткого диполя (ESD), демонструючи величину, яка максимальна в центрі і зменшується приблизно лінійно до нуля на кінцях. (Див. Розділ 9.5 для огляду ОУР.) Наостанок відзначимо, що струм повинен бути безперервним на стику між незміненим і зміненим ділянками.

Встановивши, що модифікована секція демонструє розподіл струму ОУР, і попередньо визначивши, що немодифікований ділянку лінії електропередачі не випромінює, робимо висновок, що ця система випромінює саме так, як це робить ОУР. Зверніть увагу також, що нам не потрібно інтерпретувати частину ESD лінії електропередачі як модифікацію лінії електропередачі: Натомість ми можемо розглядати цю систему як немодифіковану лінію передачі, прикріплену до антени, яка в цьому випадку в ESD.

Загальний випадок

Хоча ми розробили це розуміння спеціально для ОУР, принцип застосовується загалом. Тобто будь-яку антену - не лише диполі - можна розглядати як структуру, яка може підтримувати розподіл струму, який випромінює. Розробка:

Передавальна антена - це пристрій, який при русі відповідним джерелом підтримує змінний в часі розподіл струму, що призводить до електромагнітної хвилі, яка випромінюється від пристрою.

Хоча це може здатися просто повторенням визначення на початку цього розділу - і це - ми зараз бачимо, як це може статися, а також чому лінії електропередачі, як правило, не є також антенами.