Cuando se trata deantenasLa pregunta que más preocupa a la gente es: "¿Cómo se logra 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 cómo finalmente se "separa" de esta para formar una onda en el espacio 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 el 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 = qv vz (1)
Si el cable está hecho de un conductor ideal, la densidad de corriente Js en la superficie del cable es:
Js = qs vz (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 (culombio/metro) es la carga por unidad de longitud.
Nos centramos principalmente en cables 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 como sigue:
(5)
La ecuación (5) es la relación básica entre la corriente y la carga, así como la relación básica de la radiación electromagnética. En pocas palabras, para producir radiación, debe existir una corriente variable en el tiempo o una aceleración (o desaceleración) de la carga. Generalmente, se habla de corriente en aplicaciones armónicas en el tiempo, y de carga en aplicaciones transitorias. Para producir aceleración (o desaceleración) de la carga, el cable debe estar doblado y ser discontinuo. Cuando la carga oscila en un movimiento armónico en el tiempo, también produce una aceleración (o desaceleración) periódica de la carga o una corriente variable 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 una velocidad constante:
a. Si el cable es recto y de longitud infinita, no hay radiación.
b. Si el cable está doblado, plegado o es discontinuo, como se muestra en la Figura 2, hay radiación.
3) Si la carga oscila con el tiempo, la carga se 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 mediante 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 por las líneas de campo eléctrico generadas por la fuente. A medida que las cargas se aceleran en el extremo de la fuente del cable y se desaceleran (aceleración negativa con respecto al movimiento original) al reflejarse 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 de fuerza externa que las pone en movimiento y produce el campo de radiación asociado. La desaceleración de las cargas en los extremos del cable se logra mediante fuerzas internas asociadas con el campo inducido, causado por la acumulación de cargas concentradas en los extremos del cable. Las fuerzas internas obtienen energía de la acumulación de carga a medida que su velocidad disminuye a cero en los extremos del cable. Por lo tanto, la aceleración de las cargas debida a la excitación del campo eléctrico y la desaceleración de las cargas debida a la discontinuidad o curva suave de la impedancia del cable son los mecanismos de generación de radiación electromagnética. Si bien 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 magnitud fundamental, especialmente para campos transitorios. Si bien esta explicación de la radiación se utiliza principalmente para estados transitorios, también puede utilizarse para explicar la radiación en estado estacionario.
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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). Al aplicar voltaje a la línea de dos conductores, se genera un campo eléctrico entre los conductores. Las líneas de campo eléctrico actúan sobre los electrones libres (fácilmente separables 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 comenzar en el infinito y terminar con cargas negativas; o formar bucles cerrados que no comienzan ni terminan con ninguna carga. Las líneas de campo magnético siempre forman bucles cerrados alrededor de conductores que transportan corriente porque no existen cargas magnéticas en física. En algunas fórmulas matemáticas, se introducen cargas magnéticas y corrientes magnéticas equivalentes para mostrar la dualidad entre soluciones que involucran potencia y fuentes magnéticas.
Las líneas de campo eléctrico dibujadas entre dos conductores ayudan a mostrar la distribución de la carga. Si asumimos que la fuente de tensión 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 se representa mediante la densidad de las líneas de 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 entra en 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 de campo eléctrico (mostrados por las líneas de puntos). La onda en el espacio libre también es periódica, pero el punto de fase constante P0 se desplaza hacia afuera a la velocidad de la luz y recorre una distancia de λ/2 (hasta P1) en la mitad de un 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 aproxima a ella 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 el espacio libre de la antena λ∕2 en t = 0, t/8, t/4 y 3T/8
Se desconoce cómo las ondas guiadas se separan de la antena y se forman para propagarse en el espacio libre. Podemos comparar las ondas guiadas y en el espacio libre con las ondas de agua, que pueden ser causadas por la caída de una piedra en una masa de agua tranquila o por otras causas. Una vez que comienza la perturbación en el agua, se generan ondas que comienzan a propagarse. Incluso si la perturbación se detiene, las ondas no se detienen, sino que continúan propagándose. Si la perturbación persiste, se generan constantemente nuevas ondas, y su propagación se retrasa con respecto a la de las demás.
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 entran en la antena y finalmente se irradian como ondas en el espacio libre, aunque la excitación ya no esté presente (al igual que las ondas de agua y la perturbación que crearon). Si la perturbación eléctrica es continua, las ondas electromagnéticas existen continuamente y las siguen de cerca durante su propagación, como se muestra en la antena bicónica de la Figura 5. Cuando las ondas electromagnéticas se encuentran dentro de las líneas de transmisión y antenas, su existencia está relacionada con la presencia de carga eléctrica dentro del conductor. Sin embargo, cuando las ondas se irradian, forman un bucle cerrado y no hay carga que las mantenga. 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 dipolar
Intentamos explicar el mecanismo por el cual las líneas de campo eléctrico se desprenden de la antena y forman ondas en el espacio libre, y tomamos la antena dipolo como ejemplo. 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 por 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 se mueven otros λ∕4 (un total de λ∕2 desde el punto de inicio), y la densidad de carga en el conductor comienza a disminuir. Puede considerarse que se forma por la introducción de cargas opuestas, que cancelan las cargas en el 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, las líneas de campo eléctrico deben separarse del conductor y combinarse para formar un bucle cerrado. Esto se muestra en la Figura 6(c). En la segunda mitad, se sigue el mismo proceso físico, pero observe que la dirección es opuesta. Después, el proceso se repite indefinidamente, formando una distribución de campo eléctrico similar a la de la Figura 4.
Figura 6
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Hora de publicación: 20 de junio de 2024
