Cuando se trata deantenas, la pregunta que más preocupa a la gente es "¿Cómo se consigue realmente la radiación?"¿Cómo se propaga el campo electromagnético generado por la fuente de señal a través de la línea de transmisión y dentro de la antena, y finalmente se "separa" de la antena para formar una onda espacial libre?
1. Radiación de un solo cable
Supongamos que la densidad de carga, expresada como qv (Coulomb/m3), está distribuida uniformemente en un alambre circular con un área de sección transversal de a y un volumen de V, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1
La carga total Q en volumen V se mueve en la dirección z a una velocidad uniforme Vz (m/s).Se puede demostrar que la densidad de corriente Jz en la sección transversal del cable es:
Jz = qvvz（1）
Si el alambre está hecho de un conductor ideal, la densidad de corriente Js en la superficie del alambre es:
Js = qsvz（2）
Donde qs es la densidad de carga superficial.Si el cable es muy delgado (idealmente, el radio es 0), la corriente en el cable se puede expresar como:
Iz = ql vz (3)
Donde ql (coulomb/metro) es la carga por unidad de longitud.
Nos ocupamos principalmente de alambres delgados y las conclusiones se aplican a los tres casos anteriores.Si la corriente varía con el tiempo, la derivada de la fórmula (3) con respecto al tiempo es la siguiente:
(4)
az es la aceleración de la carga.Si la longitud del cable es l, (4) se puede escribir de la siguiente manera:
(5)
La ecuación (5) es la relación básica entre corriente y carga, y también la relación básica de la radiación electromagnética.En pocas palabras, para producir radiación, debe haber una corriente o aceleración (o desaceleración) de carga que varía con el tiempo.Generalmente mencionamos la corriente en aplicaciones de armónicos de tiempo, y la carga se menciona con mayor frecuencia en aplicaciones transitorias.Para producir aceleración (o desaceleración) de la carga, el cable debe estar doblado, doblado y discontinuo.Cuando la carga oscila en un movimiento armónico en el tiempo, también producirá una aceleración (o desaceleración) periódica de la carga o una corriente que varía en el tiempo.Por lo tanto:
1) Si la carga no se mueve, no habrá corriente ni radiación.
2) Si la carga se mueve a velocidad constante:
a.Si el alambre es recto y de longitud infinita, no hay radiación.
b.Si el cable está doblado, doblado o discontinuo, como se muestra en la Figura 2, hay radiación.
3) Si la carga oscila con el tiempo, la carga irradiará incluso si el cable está recto.
Figura 2
Se puede obtener una comprensión cualitativa del mecanismo de radiación observando una fuente pulsada conectada a un cable abierto que puede conectarse a tierra a través de una carga en su extremo abierto, como se muestra en la Figura 2(d).Cuando el cable se energiza inicialmente, las cargas (electrones libres) en el cable se ponen en movimiento mediante las líneas de campo eléctrico generadas por la fuente.A medida que las cargas se aceleran en el extremo fuente del cable y se desaceleran (aceleración negativa relativa al movimiento original) cuando se reflejan en su extremo, se genera un campo de radiación en sus extremos y a lo largo del resto del cable.La aceleración de las cargas se logra mediante una fuente externa de fuerza que pone las cargas en movimiento y produce el campo de radiación asociado.La desaceleración de las cargas en los extremos del alambre se logra mediante fuerzas internas asociadas con el campo inducido, que es causado por la acumulación de cargas concentradas en los extremos del alambre.Las fuerzas internas ganan energía a partir de la acumulación de carga a medida que su velocidad disminuye a cero en los extremos del cable.Por tanto, la aceleración de las cargas por la excitación del campo eléctrico y la desaceleración de las cargas por la discontinuidad o curva suave de la impedancia del hilo son los mecanismos para la generación de radiación electromagnética.Aunque tanto la densidad de corriente (Jc) como la densidad de carga (qv) son términos fuente en las ecuaciones de Maxwell, la carga se considera una cantidad más fundamental, especialmente para campos transitorios.Aunque esta explicación de la radiación se utiliza principalmente para estados transitorios, también se puede utilizar para explicar la radiación en estado estacionario.
Recomendar varios excelentes.productos de antenafabricado porRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. Radiación de dos hilos
Conecte una fuente de voltaje a una línea de transmisión de dos conductores conectada a una antena, como se muestra en la Figura 3(a).La aplicación de voltaje a la línea de dos hilos genera un campo eléctrico entre los conductores.Las líneas del campo eléctrico actúan sobre los electrones libres (fácilmente separados de los átomos) conectados a cada conductor y los obligan a moverse.El movimiento de cargas genera corriente, que a su vez genera un campo magnético.
figura 3
Hemos aceptado que las líneas de campo eléctrico comienzan con cargas positivas y terminan con cargas negativas.Por supuesto, también pueden comenzar con cargas positivas y terminar en el infinito;o empezar en el infinito y terminar con cargas negativas;o formar circuitos cerrados que no comienzan ni terminan con ninguna carga.Las líneas de campo magnético siempre forman bucles cerrados alrededor de los conductores que transportan corriente porque en física no existen cargas magnéticas.En algunas fórmulas matemáticas, se introducen cargas magnéticas y corrientes magnéticas equivalentes para mostrar la dualidad entre soluciones que involucran energía y fuentes magnéticas.
Las líneas de campo eléctrico trazadas entre dos conductores ayudan a mostrar la distribución de carga.Si suponemos que la fuente de voltaje es sinusoidal, esperamos que el campo eléctrico entre los conductores también sea sinusoidal con un período igual al de la fuente.La magnitud relativa de la intensidad del campo eléctrico está representada por la densidad de las líneas del campo eléctrico y las flechas indican la dirección relativa (positiva o negativa).La generación de campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo entre los conductores forma una onda electromagnética que se propaga a lo largo de la línea de transmisión, como se muestra en la Figura 3(a).La onda electromagnética ingresa a la antena con la carga y la corriente correspondiente.Si eliminamos parte de la estructura de la antena, como se muestra en la Figura 3(b), se puede formar una onda en el espacio libre "conectando" los extremos abiertos de las líneas del campo eléctrico (que se muestran con las líneas de puntos).La onda del espacio libre también es periódica, pero el punto de fase constante P0 se mueve hacia afuera a la velocidad de la luz y recorre una distancia de λ/2 (hasta P1) en medio período de tiempo.Cerca de la antena, el punto de fase constante P0 se mueve más rápido que la velocidad de la luz y se acerca a la velocidad de la luz en puntos alejados de la antena.La Figura 4 muestra la distribución del campo eléctrico en el espacio libre de la antena λ∕2 en t = 0, t/8, t/4 y 3T/8.
Figura 4 Distribución del campo eléctrico en espacio libre de la antena λ∕2 en t = 0, t/8, t/4 y 3T/8
No se sabe cómo las ondas guiadas se separan de la antena y finalmente se forman para propagarse en el espacio libre.Podemos comparar las ondas espaciales guiadas y libres con las ondas de agua, que pueden ser causadas por una piedra caída en una masa de agua tranquila o de otras formas.Una vez que comienza la perturbación en el agua, se generan ondas de agua que comienzan a propagarse hacia afuera.Incluso si la perturbación cesa, las ondas no se detienen sino que continúan propagándose hacia adelante.Si la perturbación persiste, constantemente se generan nuevas ondas y la propagación de estas ondas va por detrás de las otras ondas.
Lo mismo ocurre con las ondas electromagnéticas generadas por perturbaciones eléctricas.Si la perturbación eléctrica inicial de la fuente es de corta duración, las ondas electromagnéticas generadas se propagan dentro de la línea de transmisión, luego ingresan a la antena y finalmente se irradian como ondas del espacio libre, aunque la excitación ya no esté presente (al igual que las ondas del agua). y los disturbios que crearon).Si la perturbación eléctrica es continua, las ondas electromagnéticas existen continuamente y las siguen de cerca durante la propagación, como se muestra en la antena bicónica que se muestra en la Figura 5. Cuando las ondas electromagnéticas están dentro de líneas de transmisión y antenas, su existencia está relacionada con la existencia de corriente eléctrica. carga dentro del conductor.Sin embargo, cuando las ondas se irradian, forman un circuito cerrado y no hay carga para mantener su existencia.Esto nos lleva a la conclusión de que:
La excitación del campo requiere aceleración y desaceleración de la carga, pero el mantenimiento del campo no requiere aceleración y desaceleración de la carga.
Figura 5
3. Radiación dipolo
Intentamos explicar el mecanismo por el cual las líneas del campo eléctrico se separan de la antena y forman ondas en el espacio libre, tomando como ejemplo la antena dipolo.Aunque es una explicación simplificada, también permite a las personas ver intuitivamente la generación de ondas en el espacio libre.La Figura 6 (a) muestra las líneas de campo eléctrico generadas entre los dos brazos del dipolo cuando las líneas de campo eléctrico se mueven hacia afuera en λ∕4 en el primer cuarto del ciclo.Para este ejemplo, supongamos que el número de líneas de campo eléctrico formadas es 3. En el siguiente cuarto del ciclo, las tres líneas de campo eléctrico originales mueven otro λ∕4 (un total de λ∕2 desde el punto inicial), y la densidad de carga en el conductor comienza a disminuir.Se puede considerar que se forma por la introducción de cargas opuestas, que anulan las cargas del conductor al final de la primera mitad del ciclo.Las líneas de campo eléctrico generadas por las cargas opuestas son 3 y se mueven una distancia de λ∕4, que está representada por las líneas de puntos en la Figura 6(b).
El resultado final es que hay tres líneas de campo eléctrico descendentes en la primera distancia λ∕4 y el mismo número de líneas de campo eléctrico ascendentes en la segunda distancia λ∕4.Dado que no hay carga neta en la antena, se debe forzar a las líneas del campo eléctrico a separarse del conductor y combinarse para formar un circuito cerrado.Esto se muestra en la Figura 6(c).En la segunda mitad se sigue el mismo proceso físico, pero nótese que la dirección es opuesta.Después de eso, el proceso se repite y continúa indefinidamente, formando una distribución de campo eléctrico similar a la Figura 4.
Figura 6
Para obtener más información sobre antenas, visite:
Hora de publicación: 20 de junio de 2024
