Jak promieniuje antena (jak płyną prądy)

Nie rozumiem, jak anteny emitują sygnał.

Rozumiem podstawową antenę (długość fali, pole elektronowe E, ...), ale po prostu nie rozumiem, w jaki sposób prąd może przejść przez drut, który nie ma bieguna ujemnego.

Czy możesz mi to wyjaśnić.

Zgaduję, że nie rozumiesz, jak może płynąć prąd, jeśli nie ma pełnego obwodu. Weźmy jako przykład prosty dipol ćwierćfalowy:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Jak może płynąć prąd, skoro nie ma pełnego obwodu od „-” do „+” V1?

Zastanów się: w stosunku do prędkości, z jaką rozprzestrzeniają się fale w polach elektromagnetycznych, dipol jest długi. To prawda, że ​​prąd nie może płynąć, ale nie wie o tym, dopóki nie dojdzie do końca drutu. Gdy prąd zbliża się do końca drutu, ale nie ma dokąd pójść, ładunki gromadzą się, dopóki nie zostaną odepchnięte w przeciwnym kierunku. Zanim wróci, przejechał lub doświadczył przesunięcia fazowego o 180 ∘ . Napięcie na V1 również uległo zmianie w tym punkcie, a zatem prąd konstruktywnie zwiększa nowe prądy wytwarzane przez V1. Gdyby nie część tej energii traconej jako promieniowanie, energia w tej antenie rosłaby bez ograniczeń.$\lambda/2$$180^\circ$

Dlaczego energia promieniuje jest skomplikowana. Długa odpowiedź to „ równania Maxwella ”. Jeśli nie chcesz zrozumieć wszystkich drobiazgowych szczegółów tej matematyki, oto proste, niepełne zrozumienie: prąd w antenie jest związany z polem magnetycznym, a napięcie z polem elektrycznym. Antena jest takim układem, że w pewnej odległości od anteny ( pole dalekie ) te dwa pola są wzajemnie prostopadłe i fazowe, a otrzymujesz falę samo propagującą się w następujący sposób:

Czerwony to pole elektryczne (E), a niebieski to pole magnetyczne (B). Jest to rodzaj fali, która byłaby emitowana przez dipol wyrównany z osią Z.

Oto uproszczona wersja, która pomogła mi pokonać własną ignorancję noob.

Istnieją zasadniczo dwa rodzaje małych anten: mała antena pętlowa i krótka antena dipolowa. Mała antena pętlowa jest tylko pierścieniem z drutu, a każdy prąd w przewodzie wytwarza pole magnetyczne otaczające antenę. Urządzenie jest induktorem, ale ma duże pole magnetyczne wypełniające przestrzeń.

Z drugiej strony, krótka antena dipolowa to po prostu para metalowych „płyt kondensatorowych” wystających w powietrze, a jeśli zostanie przyłożone do nich napięcie, w otaczającej przestrzeni pojawi się pole elektryczne. Urządzenie jest tylko kondensatorem, ale znowu ma duże pole wypełniające przestrzeń w otaczającym regionie.

Zastosuj falę sinusoidalną zamiast stałych woltów lub prądu, a pola wokół „anten” rozszerzą się, następnie skurczą się do zera, a następnie ponownie rozwiną się, ale będą skierowane do tyłu… a następnie powtórzą. Fale nie są generowane, więc tak naprawdę wcale nie są antenami radiowymi. Ale tworzą one lokalne pola elektromagnetyczne w kosmosie.

Oto projekt wideo „TEAL” na MIT z wizualną wersją procesu:

Rozszerzanie / ograniczanie pola b lub pola e

Jak dotąd? Antena pętlowa wytwarza pole magnetyczne, a antena dipolowa wytwarza pole elektryczne. Dziwne rzeczy zaczynają się dziać, kiedy napędzamy którąkolwiek antenę z bardzo wysoką częstotliwością. To lub możemy zbudować wersję dowolnej anteny o tak dużym rozmiarze, że nawet 60 Hz będzie rodzajem „sygnału radiowego” w odniesieniu do anteny.

Oto rzecz: pola magnetyczne lub elektryczne otaczające te anteny nie mogą rozszerzać się ani kurczyć szybciej niż prędkość światła. Co się stanie, jeśli impulsy prądu przemiennego przyłożone do tych urządzeń będą „zbyt szybkie”? Pola wokół cewek indukcyjnych lub kondensatorów muszą się balonem na zewnątrz, a następnie ponownie zasysane, ale co, jeśli prędkości będą zbliżone do prędkości światła? Wtedy pola przestają działać jak nadmuchiwanie lub kurczenie się niewidzialnych balonów. Zamiast tego pola zaczynają zachowywać się jak fale.

Tak więc, kiedy odwrócimy biegunowość podczas sinusoidy prądu przemiennego, pole e lub pole b nie zostanie całkowicie zassane jak zwykle. Zamiast tego odrywa się od anteny i po prostu się porusza. Część energii pola nie jest pobierana, a zamiast tego jest tracona w kosmos. Nasza antena pętlowa nie jest już tylko cewką indukcyjną i zaczęła falować. A nasz dipol jest teraz wyrzutnią fal, a nie tylko kondensatorem.

YT vid: pola EM otaczające małą antenę

Świetne pytanie! Kompleksowa odpowiedź. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje bez ścieżki powrotnej („bieguna ujemnego”), musisz wyjść poza prawo Ohma.

Wszystkie przyspieszone ładunki promieniują. Więc wszystko , co przewodzi prąd przemienny, działa jak antena. Jednak często są to słabe anteny i nie promieniują dobrze. W rezultacie ten aspekt można często zignorować, aby uprościć problem.

Aby stworzyć dobrą antenę, musisz przenieść energię (energię zawartą w napięciach i prądach) na promieniowanie elektromagnetyczne (gdzie energia zawarta jest w polach E i H) oddalające się od anteny. Wymaga to zgrubnego dopasowania impedancji anteny oraz tego, że prądy powodujące promieniowanie sumują się w fazie, aby się nie znosiły tak jak w linii transmisyjnej. Jak wspomniał Jim Dearden, możesz zaprojektować to tak, aby uzyskać fale stojące lub anulować je w zależności od długości fizycznej.

Problem z pytaniem o „brak bieguna ujemnego” związany jest ze stosowaniem uproszczonego modelu obwodu, który nie dotyczy aspektów 3D i pól napięcia i prądu. Prąd może płynąć we wszystkim, co przewodzi prąd (bieguny lub bez bieguna). Zewnętrzne fale elektromagnetyczne (elektromagnetyczne) robią to cały czas. Jednak nie ma modelu omowego, który mógłby to przewidzieć.

Aby przejść o krok od prostego prawa omowego, inżynierowie przyjęli model „odporności na promieniowanie”. Jest to używane w podobny sposób jak standardowa rezystancja omowa. Zgodnie z prawem omowym energia rozpraszana jest zamieniana w ciepło. W modelu odporności na promieniowanie rozproszona energia zamienia się w, no cóż, promieniowanie.

Odporność na promieniowanie jest tylko prostym narzędziem, które pomaga inżynierom ocenić znany element obwodu (tj. Zwykle jakiś facet z RF wyliczył go dla Ciebie) bez konieczności korzystania z równań Maxwella i stosowania warunków brzegowych do obwodu fizycznego, aby dokładnie zrozumieć tryby promieniowania.

Prawdziwym kluczem do zrozumienia zachowania obwodu jest zrozumienie, kiedy należy wziąć pod uwagę aspekty promieniowania. Gdy częstotliwość działania obwodu ma długość fali, która jest fizycznie bliska wielkości obwodu, wówczas prawo Ohma zaczyna się szybko załamywać. Zasadniczo, jeśli stosunek długości fali do rozmiaru obwodu jest większy niż 0,1, należy zastosować równania Maxwella, aby zrozumieć, jak ten obwód będzie działał. Zatem terminy anteny ćwierćfalowej powinny być wskazówką, że należy zastosować teorię EM, aby zrozumieć, co robi obwód.

Jeśli masz czas, spróbuj przeczytać ten artykuł na temat zrozumienia promieniowania elektromagnetycznego . Został zaprojektowany dla inżynierów-instruktorów, w jaki sposób obwody mogą działać w sposób, którego prawo om nie przewiduje. Ma w sobie wiele teorii EM, ale nie musisz tak naprawdę rozumieć wszystkiego, aby docenić, że istnieje duża różnica w analizie obwodu, gdy częstotliwość robocza zbliża się do fizycznej wielkości obwodu.

EDYCJA: Właśnie pomyślałem o innym przykładzie, który może pomóc. Kondensatory nie mają ścieżek powrotnych, są po prostu otwartymi obwodami, a jednak jakoś działają, prawda? To (i cewki indukcyjne, które są po prostu zwarciem) działają tylko ze względu na ich właściwości promieniowania. Inżynierowie znaleźli sposób na przekształcenie równań EM w elementy stałe (lub elementy skupione), dzięki czemu można je włączyć do modeli omowych, co ułatwia ich pracę. Podobnie jak w przypadku anten, dzieje się o wiele więcej niż tylko kawałek metalu, który siedzi nigdzie.

Być może nie jest to tak naprawdę odpowiedzią na pytanie Q, ale w przeciwieństwie do niektórych grubiańskich wyjaśnień tekstowych, dla mnie zrozumienie dipola (anteny) - i tego, jak może promieniować -, pochodzi ze zrozumienia obwodu LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

po obejrzeniu tej prostej animacji („Jak powstaje dipol”):

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipolentstehung.gif

To naprawdę otworzyło oczy, w przeciwieństwie do tony tekstu.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipole_receiving_antenna_animation_6_800x394x150ms.gif

Jak płyną prądy przez drut w antenie, ma to związek z faktem, że prędkość światła jest skończona, a antena ma niezerowy rozmiar (w stosunku do prędkości światła przy częstotliwości projektowej anteny), a także zero pojemności. Podstawowa fizyka.

Ponieważ prędkość światła jest skończona, jeden koniec drutu o niezerowej długości może mieć inne napięcie i mieć inny ładunek niż drugi koniec, ponieważ prędkość światła uniemożliwia natychmiastowe wyrównanie. Wymagane będzie trochę czasu (rzędu około nanosekundy na każdą stopę drutu lub około 3 nS na metr, być może nawet nieco wolniej).

Załóżmy, że podłączasz przewód do akumulatora, przepływ prądu lub elektronów na jednym końcu i na drugim. Ale co, jeśli drut jest tak długi, że zajmie to, powiedzmy, 0,25 uS, aby prędkość światła osiągnęła od jednego końca do drugiego? Następnie, jeśli prąd zacznie płynąć na jednym końcu, ten prąd tak naprawdę „nie będzie wiedział”, czy prąd płynie na drugim końcu drutu do akumulatora, aż do 0,25 uS później.

Tak więc, jeśli podłączysz tylko jeden koniec drutu do źródła napięcia, prąd zacznie płynąć, a kiedy dotrze do drugiego końca drutu, ładuje drugi koniec drutu, podobnie jak kondensator, ponieważ nie ma gdzie indziej (nie znaleziono przeciwnego zacisku akumulatora). Ale jeśli napędzasz bliski koniec oscylatorem 1 MHz zamiast akumulatora prądu stałego, do czasu naładowania się drugiego końca bliski koniec szybko zmienia napięcie, w samą porę, aby rozładować ten kondensator (ponieważ zajmuje kolejne 0,25 uS aby ta opłata wróciła do punktu zasilania).

Ta skończona długość drutu ma również indukcyjność. Indukcyjność spowoduje odwrócenie pola elektromagnetycznego, odporne na ładunek przemieszczający się w górę drutu. Rezystancja ta powoduje utratę energii w przewodzie, a zachowanie energii umieszcza tę energię w polu elektromagnetycznym pędzącym z dala od anteny z prędkością światła i szybciej niż jakakolwiek fala przeciwdziałająca (powodowana przez ładunek w kierunkach cofania drutu) może to nadrobić i anulować. Te przemienne fronty pola elektromagnetycznego zamieniają się w standardowe fale RF, gdy promieniują od bliskiego pola anteny.

Ujemny biegun obwodu to drugi koniec dipola, który ładuje się i rozładowuje w odwrotnej kolejności. Lub, w przypadku pionowej anteny jednobiegunowej, planeta ziemia (i / lub przewód uziemiający, obudowa radia, twoja ręka, a ostatecznie cały wszechświat) jest ostatecznie przeciwną płytą kondensatora.

Myślę, że to podejście, choć nie do końca poprawne, może pomóc. Spróbuj wyobrazić sobie baterię i 2 przewody podłączone do jej otwartych końcówek. W akumulatorze występuje moc. Oznacza to, że w akumulatorze istnieje pole elektryczne, teraz pole to przechodzi przez podłączony przewód, powodując akumulację dodatnich i ujemnych ładunków na odpowiednich końcach, aż do osiągnięcia tego samego potencjału, pozostaje to do momentu, gdy potencjał baterii nie zostanie zmieniony. Teraz oba otwarte końce mają ten sam potencjał co akumulator. Teraz, jeśli zwiększę potencjał baterii, niektóre ładunki przesuną się do końca, aż potencjał zostanie zrównoważony. A kiedy zmniejszę potencjał, niektóre ładunki cofną się. Chociaż ruch ładunków trwa przez krótki czas. Ten ruch odbywa się w sposób ciągły, gdy przyłożone jest napięcie prądu przemiennego, skutecznie oscyluje ładunki, a tym samym wytwarza fale elektromagnetyczne. Mam nadzieję że to pomoże :)

Mechanizm promieniowania i anteny

Fale radiowe to niewidoczny prąd przemienny w atmosferze. Fale świetlne są widoczne prąd przemienny w atmosferze.

Antena to zacisk prądu elektrycznego; przez antenę nie przepływa prąd, tylko napięcie oscyluje z prądem wejściowym. To napięcie oscylacyjne w antenie nadajnika indukuje prąd przemienny w powietrzu, rozchodząc się od powierzchni anteny pod kątem 90 stopni, przechodząc przez powietrze, aby dotrzeć do anteny odbiorczej i indukując w niej napięcie oscylacyjne.

Antena jest jak balon, prąd jest jak powietrze, a napięcie jest jak ciśnienie powietrza.

Kiedy powietrze wpada i wychodzi z balonu, ciśnienie w balonie będzie się zmieniać i wytwarzać podłużne fale dźwiękowe w powietrzu.

Podobnie, gdy elektrony wpompowują się i wychodzą z anteny, napięcie w antenie będzie się zmieniać i wytwarzać podłużne fale elektrostatyczne w powietrzu. W rzeczywistości jest to prąd przemienny w powietrzu.

W przestrzeni próżni siła Coulomba jest przewodnikiem energii elektrycznej. Linia elektronów wzroku na powierzchni anten nieustannie odpycha się siłą Coulomba. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Ta siła odpychania działa jak sztywny pręt bez masy i ciała i natychmiast przenosi energię elektryczną swobodnie tam iz powrotem między dwiema antenami.

Trzymaj magnes w każdej ręce, z tymi samymi biegunami skierowanymi do siebie. Czy czujesz silną siłę odpychania? Tak. Machaj jedną ręką do środka i na zewnątrz. Czy energia kinetyczna jest natychmiast przekazywana do drugiej ręki? Tak. Czy dwie ręce machają na tej samej częstotliwości? Tak. Czy między obiema rękami porusza się fala magnetyczna? Nie.

Siła magnetyczna odpychania jest przewodnikiem energii kinetycznej między obiema rękami, umożliwiając natychmiastowe swobodne przenoszenie energii kinetycznej. Możemy to nazwać promieniowaniem magnetycznym.

Jeśli zamiast magnesów trzymamy w rękach elektrony, jest to promieniowanie elektrostatyczne, błędna interpretacja promieniowania elektromagnetycznego przez naukowców.

Kierunek prądu przemiennego jest zawsze prostopadły do ​​powierzchni anteny i rozchodzi się w powietrzu jako fala podłużna.