Czy anteny można postrzegać jako źródła światła?

Oczywiście anteny to nic innego jak urządzenie do emitowania energii elektrycznej za pomocą fal elektromagnetycznych.

Ponieważ światło widzialne jest również pewnym zakresem częstotliwości, czy nie jest łatwiej myśleć o antenach jako o różnych kształtach źródeł „światła”?

Podobnie jak antena kierunkowa to latarka ręczna, wysoka moc oznacza światła powodziowe?

Dlaczego nie możemy po prostu stwierdzić tego w naturze cząstek, ponieważ będzie to znacznie prostsze matematycznie niż teoria fal?

W niektórych przypadkach możesz: Jeśli masz dużą antenę kierunkową, może ona z bardzo daleka wyglądać jak „latarka” wytwarzająca wiązkę dla fal radiowych. To rozpada się bardzo szybko, jeśli długości fal nie są dużo, dużo mniejsze niż wszystkie fizyczne obiekty oddziałujące z nimi.

Używamy nawet specyficznych określeń: jeśli długości fal są bardzo małe w porównaniu do wszystkich obiektów, które spotykają, a kilka prostych „makroskopowych” wzorów może opisać ich zachowanie, mówimy o propagacji optycznej (promieniowaniu) . Kiedy mamy do czynienia z RF, my nie; RF nie zachowuje się jak światło, a zatem przydatność analogii nie istnieje. Więc nie, nie możemy być „znacznie prościej matematycznie”, ponieważ łatwiejszy model tak zwanej propagacji światła po prostu nie działa¹.

W większości przypadków nie można porównywać anten ze źródłami światła.

Po pierwsze, analogia do źródeł światła nie działa w pełni: Twoja latarka działa na prąd stały pochodzący z baterii. Wychodzące fale mają częstotliwości powyżej 10¹⁵ Hz. W antenie sposób generowania fali opiera się na prądzie wpływającym do anteny już o częstotliwości, która ma być emitowana, a antena działa tylko jako element dopasowujący impedancję między przewodnikiem falowym a wolną przestrzenią.

Następnie fala emitowana z anteny ma jakiś czoło fali, co implikuje spójną fazę! Twoja dioda LED lub żarówka wcale tego nie ma.

Tak więc wiązka światła z latarki jest po prostu fizycznie bardzo różna od wiązki z anteny.

Masz rację, anteny i źródła światła są równoważnymi konstrukcjami. Ale matematyka źródeł światła nie jest tak prosta, jak się wydaje.

Powodem, dla którego większość dotychczasowych odpowiedzi postrzega je jako różne, jest tylko kwestia skali. Podczas gdy powszechnie nazywamy długości fali „RF” 1 mm lub więcej (300 GHz) i „światłem” o długości fali 1 μm i mniejszej (300 THz), z pewnym ustępstwem co do tego, co leży pomiędzy nimi (czy jest to „światło o niskiej podczerwieni” lub „mikrofale” ?) równania rządzące ich zachowaniem są dokładnie takie same: równania Maxwella .

Problem polega na tym, że tak duża różnica skal ma konsekwencje dla ich interakcji ze światem. Chociaż możesz mieć komponenty dyskretne oddziałujące w celu wygenerowania 1m sygnału RF, aby wygenerować 100 nm sygnał świetlny, musisz wziąć pod uwagę interakcję między elektronami i ich poziomami energii.

• Podczas gdy ściśle zogniskowany sygnał RF o długości 10 m rozchodzi się wokół metalowego dysku o długości 1 m, najwyraźniej bez interakcji, wąsko skupiona wiązka światła o grubości 1 µm zostanie całkowicie zatrzymana. Podczas gdy pierwszy zostałby zatrzymany przez siatkową klatkę Faradaya z 10 cm otworami, drugi przejdzie bez przeszkód. Materiały, które są prawie całkowicie przezroczyste dla jednego, całkowicie zatrzymają drugi i odwrotnie.

• Podczas gdy potrzebna byłaby raczej masywna antena, aby skupić wiązkę RF 10 cm, aby osiągnąć 90% mocy w odległości 1 m na 1 km, równoważne soczewki, które robią to samo przy świetle 1 µm, mogłyby zmieścić się w jednej ręce.

• Podczas gdy możesz w większości zignorować efekty atmosferyczne (interakcja energii RF z cząsteczkami powietrza) poniżej 1 GHz, warunki atmosferyczne wkrótce będą dominować powyżej tego i staną się głównym efektem przy częstotliwościach światła.

• Ludzie projektujący soczewki optyczne doskonale zdają sobie sprawę z problemów związanych z sygnałami szerokopasmowymi (światło widzialne zajmuje całą oktawę od 380 do 740 nanometrów lub 430–770 THz). Są to równoważne z problemami, z którymi borykają się projektanci szerokopasmowego RF, jednak szerokopasmowe RF rzadko zajmuje nawet 5% częstotliwości nośnej.

Większość inżynierii dotyczy modeli, modeli, które znacznie upraszczają dany problem i mają zakres ważności (wszystkie modele są błędne, niektóre modele są przydatne). Dlatego w niższych zakresach RF mamy do czynienia z prawami KCL, KVL i Ohma w naszych obwodach, zamiast próbować je rozwiązać przez bezpośrednie zastosowanie równań Maxwella. Ale idź wyżej, a teraz musisz przełączyć się na parametry s i linie przesyłowe, ponieważ przewody przestają zachowywać się jak zwykłe przewody. Idź jeszcze wyżej, do dziedziny „światła”, a teraz wskazane jest używanie fotonów i poziomów przejścia energii elektronów.

Ale wszystkie te modele są tylko uproszczeniami równań Maxwella z ich wąską dziedziną zastosowania . Ale wiedząc o tym i tam, gdzie zawodzą modele, może pomóc rozwinąć naszą intuicję projektową.

Po pierwsze, „światło” samo w sobie zwykle oznacza „światło widzialne”. Anteny nie emitują światła widzialnego.

Możemy bardziej poprawnie powiedzieć, że światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, a anteny emitują promieniowanie elektromagnetyczne.

Dlaczego nie możemy po prostu stwierdzić tego w naturze cząstek, ponieważ będzie to znacznie prostsze matematycznie

Czy to jest Nie zacytowałeś żadnej matematyki w swoim poście. I dla większości celów wzór fali jest tym, czego chcemy; mówi nam, gdzie fale radiowe mogą być odbierane najsilniej. Dla większości częstotliwości komunikacyjnych fale radiowe nie są „wiązką światła”, bardzo się rozpraszają.

W niektórych przypadkach można. I z pewnością w naszym świecie liczników światło można bardzo niezawodnie aproksymować jako promień. Ale podobnie może być fala elektromagnetyczna w skali 1000000000, z obiektami znajdującymi się tylko w wielu tysiącach kilometrów.

Ale życie w naszym świecie wygląda na proste tylko dla optyki. Kiedy mamy do czynienia ze światłem rozchodzącym się przez struktury mikrometryczne, tablice lub przewodniki, aproksymacja promienia nie ma sensu. (Google plazmonika, fotonika lub kryształy fotoniczne itp. Używają trybów, rezonansów, więcej równań Maxwellego.) Podobnie jak nie ma mocy, aby dokładnie wyjaśnić zjawiska RF w naszym świecie.

Dlaczego nie możemy po prostu stwierdzić tego w naturze cząstek, ponieważ będzie to znacznie prostsze matematycznie niż teoria fal?

Kiedy mówimy, że foton jest „cząsteczką” energii świetlnej, mamy na myśli, że tylko dyskretne ilości energii mogą być absorbowane z pola elektromagnetycznego lub emitowane do niego.

Ale cząsteczki te nie poruszają się zgodnie z zasadami balistyki dotyczącymi kul lub bilardowych kulek. Poruszają się zgodnie z równaniem falowym, które jest zasadniczo takie samo jak równanie falowe opisujące klasyczną propagację elektromagnetyczną.

Więc nie ma tutaj darmowego lunchu. „Cząstki” elektromagnetyczne są tak samo matematycznie złożone jak fale, które zastępują.

Anteny można traktować jako źródło światła, ale emitują one w inny sposób. Jeśli zastanawiasz się nad zwykłą anteną RF, nie emitują one światła widzialnego, które przenosi informacje, ponieważ światło ma znacznie wyższą częstotliwość niż częstotliwość rezonansowa anteny. Typowa antena RF (3 KHz i 300 GHz) jest po prostu zbyt duża, aby skutecznie emitować światło widzialne (430–770 THz) z powodu niedopasowania tej wielkości. Ale jest to możliwe w przypadku niektórych anten, takich jak plazmoniczne nanoanteny. Spośród kilku urządzeń, które emitują światło widzialne w kontrolowany sposób, plazmoniczne nanoanteny są najbliższe tradycyjnych anten radiowych.