כשזה מגיע לאנטנות, השאלה שאנשים הכי מודאגים ממנה היא "איך בעצם מושגת קרינה?" כיצד מתפשט השדה האלקטרומגנטי שנוצר ממקור האות דרך קו השידור ובתוך האנטנה, ולבסוף "נפרד" מהאנטנה ליצירת גל חלל פנוי.
1. קרינת חוט בודד
הבה נניח שצפיפות המטען, מבוטאת כ-qv (קולומב/m3), מפוזרת באופן אחיד בחוט עגול עם שטח חתך של a ונפח של V, כפי שמוצג באיור 1.
איור 1
המטען הכולל Q בנפח V נע בכיוון z במהירות אחידה Vz (m/s). ניתן להוכיח שצפיפות הזרם Jz בחתך הרוחב של החוט היא:
Jz = qv vz （1）
אם החוט עשוי ממוליך אידיאלי, צפיפות הזרם Js על פני החוט היא:
Js = qs vz （2）
כאשר qs היא צפיפות המטען של פני השטח. אם החוט דק מאוד (באופן אידיאלי, הרדיוס הוא 0), הזרם בחוט יכול להתבטא כך:
Iz = ql vz (3)
כאשר ql (קולומב/מטר) הוא המטען ליחידת אורך.
אנו עוסקים בעיקר בחוטים דקים, והמסקנות חלות על שלושת המקרים הנ"ל. אם הזרם משתנה בזמן, הנגזרת של נוסחה (3) ביחס לזמן היא כדלקמן:
（4）
az היא האצת המטען. אם אורך החוט הוא l, (4) ניתן לכתוב באופן הבא:
（5）
משוואה (5) היא הקשר הבסיסי בין זרם למטען, וגם הקשר הבסיסי של קרינה אלקטרומגנטית. במילים פשוטות, כדי להפיק קרינה, חייב להיות זרם או תאוצה (או האטה) משתנה בזמן. בדרך כלל אנו מזכירים זרם ביישומי זמן הרמוניים, וטעינה מוזכרת לרוב ביישומים חולפים. על מנת לייצר האצת מטען (או האטה), החוט חייב להיות כפוף, מקופל ובלתי רציף. כאשר המטען מתנודד בתנועה הרמונית בזמן, הוא יפיק גם האצת מטען תקופתית (או האטה) או זרם משתנה בזמן. לָכֵן:
1) אם המטען לא זז, לא יהיה זרם ולא קרינה.
2) אם המטען נע במהירות קבועה:
א. אם החוט ישר ואורך אינסופי, אין קרינה.
ב. אם החוט כפוף, מקופל או לא רציף, כפי שמוצג באיור 2, יש קרינה.
3) אם המטען מתנודד לאורך זמן, המטען יקרין גם אם החוט ישר.
איור 2
ניתן לקבל הבנה איכותית של מנגנון הקרינה על ידי התבוננות במקור פועם המחובר לחוט פתוח שניתן להארקה באמצעות עומס בקצהו הפתוח, כפי שמוצג באיור 2(ד). כאשר החוט מופעל בתחילה, המטענים (אלקטרונים חופשיים) בחוט מופעלים על ידי קווי השדה החשמלי הנוצרים מהמקור. כאשר המטענים מואצים בקצה המקור של החוט ומואטים (תאוצה שלילית ביחס לתנועה המקורית) כשהם משתקפים בקצהו, נוצר שדה קרינה בקצותיו ולאורך שאר החוט. האצת המטענים מתבצעת על ידי מקור כוח חיצוני שמניע את המטענים ומייצר את שדה הקרינה הקשור. האטת המטענים בקצוות החוט מתבצעת על ידי כוחות פנימיים הקשורים לשדה המושרה, אשר נגרמת מהצטברות של מטענים מרוכזים בקצוות החוט. הכוחות הפנימיים צוברים אנרגיה מהצטברות המטען כאשר מהירותו יורדת לאפס בקצוות החוט. לכן האצת המטענים עקב עירור השדה החשמלי וההאטה של המטענים עקב אי המשכיות או עקומה חלקה של עכבת החוט הם המנגנונים ליצירת קרינה אלקטרומגנטית. למרות שגם צפיפות הזרם (Jc) וגם צפיפות המטען (qv) הם מונחי מקור במשוואות מקסוול, המטען נחשב לגודל בסיסי יותר, במיוחד עבור שדות חולפים. למרות שהסבר זה של קרינה משמש בעיקר למצבים חולפים, ניתן להשתמש בו גם כדי להסביר קרינה במצב יציב.
ממליץ על כמה מצויניםמוצרי אנטנהמיוצר על ידיRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0.8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. קרינה דו-חוטית
חבר מקור מתח לקו תמסורת דו-מוליכים המחובר לאנטנה, כפי שמוצג באיור 3(א). הפעלת מתח על הקו הדו-חוטי יוצרת שדה חשמלי בין המוליכים. קווי השדה החשמליים פועלים על האלקטרונים החופשיים (המופרדים בקלות מהאטומים) המחוברים לכל מוליך ומאלצים אותם לנוע. תנועת המטענים יוצרת זרם, אשר בתורו יוצר שדה מגנטי.
איור 3
קיבלנו שקווי שדה חשמלי מתחילים במטענים חיוביים ומסתיימים במטענים שליליים. כמובן, הם יכולים גם להתחיל במטענים חיוביים ולהסתיים באינסוף; או להתחיל באינסוף ולסיים במטענים שליליים; או יוצרים לולאות סגורות שאינן מתחילות ואינן מסתיימות במטענים כלשהם. קווי שדה מגנטי יוצרים תמיד לולאות סגורות סביב מוליכים נושאי זרם מכיוון שאין מטענים מגנטיים בפיזיקה. בכמה נוסחאות מתמטיות, מטענים מגנטיים שווים וזרמים מגנטיים מוצגים כדי להראות את הדואליות בין פתרונות המערבים כוח ומקורות מגנטיים.
קווי השדה החשמלי המצוירים בין שני מוליכים עוזרים להראות את חלוקת המטען. אם נניח שמקור המתח הוא סינוסואידי, אנו מצפים שהשדה החשמלי בין המוליכים יהיה גם סינוסאידי עם תקופה שווה לזו של המקור. הגודל היחסי של עוצמת השדה החשמלי מיוצג על ידי הצפיפות של קווי השדה החשמלי, והחצים מציינים את הכיוון היחסי (חיובי או שלילי). יצירת שדות חשמליים ומגנטיים משתנים בזמן בין המוליכים יוצר גל אלקטרומגנטי המתפשט לאורך קו התמסורת, כפי שמוצג באיור 3(א). הגל האלקטרומגנטי נכנס לאנטנה עם המטען והזרם המתאים. אם נסיר חלק ממבנה האנטנה, כפי שמוצג באיור 3(ב), ניתן ליצור גל של שטח פנוי על ידי "חיבור" הקצוות הפתוחים של קווי השדה החשמלי (המוצג בקווים המקווקוים). גל החלל הפנוי הוא גם תקופתי, אך נקודת הפאזה הקבועה P0 נעה החוצה במהירות האור ועוברת מרחק של λ/2 (ל-P1) בחצי פרק זמן. ליד האנטנה, נקודת הפאזה הקבועה P0 נעה מהר יותר ממהירות האור ומתקרבת למהירות האור בנקודות רחוקות מהאנטנה. איור 4 מציג את התפלגות השדה החשמלי במרחב הפנוי של אנטנת λ∕2 ב-t = 0, t/8, t/4 ו-3T/8.
איור 4 חלוקת שדה חשמלי בחלל פנוי של אנטנת λ∕2 ב-t = 0, t/8, t/4 ו-3T/8
לא ידוע כיצד הגלים המודרכים מופרדים מהאנטנה ובסופו של דבר נוצרים כדי להתפשט בחלל פנוי. נוכל להשוות בין גלי חלל מונחים ופנוי לגלי מים, שיכולים להיגרם כתוצאה מאבן שנפלה בגוף מים רגוע או בדרכים אחרות. ברגע שמתחילה ההפרעה במים, נוצרים גלי מים ומתחילים להתפשט החוצה. גם אם ההפרעה נפסקת, הגלים לא עוצרים אלא ממשיכים להתפשט קדימה. אם ההפרעה נמשכת, נוצרים כל הזמן גלים חדשים, והתפשטות הגלים הללו מפגרת אחרי הגלים האחרים.
הדבר נכון גם לגבי גלים אלקטרומגנטיים הנוצרים מהפרעות חשמליות. אם ההפרעה החשמלית הראשונית מהמקור היא קצרה, הגלים האלקטרומגנטיים שנוצרו מתפשטים בתוך קו ההולכה, ואז נכנסים לאנטנה ולבסוף מקרינים כגלי חלל פנוי, למרות שהעירור כבר לא קיים (בדיוק כמו גלי המים וההפרעה שהם יצרו). אם ההפרעה החשמלית מתמשכת, הגלים האלקטרומגנטיים קיימים באופן רציף ועוקבים מקרוב אחריהם במהלך ההתפשטות, כפי שמוצג באנטנה הדו-קונית המוצגת באיור 5. כאשר גלים אלקטרומגנטיים נמצאים בתוך קווי תמסורת ואנטנות, קיומם קשור לקיומו של חשמל טעינה בתוך המוליך. עם זאת, כאשר הגלים מוקרנים, הם יוצרים לולאה סגורה ואין מטען כדי לשמור על קיומם. זה מוביל אותנו למסקנה ש:
עירור השדה מצריך האצה והאטה של המטען, אך תחזוקת השדה אינה מצריכה האצה והאטה של המטען.
איור 5
3. קרינת דיפול
אנו מנסים להסביר את המנגנון שבאמצעותו מתנתקים קווי השדה החשמלי מהאנטנה ויוצרים גלי שטח פנוי, וניקח את האנטנה הדיפולית כדוגמה. למרות שזהו הסבר פשוט, הוא גם מאפשר לאנשים לראות באופן אינטואיטיבי את יצירת גלי החלל הפנוי. איור 6(א) מציג את קווי השדה החשמלי הנוצרים בין שתי הזרועות של הדיפול כאשר קווי השדה החשמלי נעים החוצה ב-λ∕4 ברבע הראשון של המחזור. עבור דוגמה זו, נניח שמספר קווי השדה החשמלי הנוצרים הוא 3. ברבע הבא של המחזור, שלושת קווי השדה החשמליים המקוריים זזים עוד λ∕4 (סה"כ λ∕2 מנקודת ההתחלה), וצפיפות המטען על המוליך מתחילה לרדת. זה יכול להיחשב שנוצר על ידי הכנסת מטענים מנוגדים, המבטלים את המטענים על המוליך בסוף המחצית הראשונה של המחזור. קווי השדה החשמלי הנוצרים על ידי המטענים ההפוכים הם 3 ונעים למרחק של λ∕4, המיוצג על ידי הקווים המקווקוים באיור 6(ב).
התוצאה הסופית היא שיש שלושה קווי שדה חשמליים כלפי מטה במרחק λ∕4 הראשון ואותו מספר של קווי שדה חשמלי כלפי מעלה במרחק λ∕4 השני. מכיוון שאין מטען נטו על האנטנה, יש לאלץ את קווי השדה החשמלי להיפרד מהמוליך ולהתאחד יחד ליצירת לולאה סגורה. זה מוצג באיור 6(ג). במחצית השנייה מתבצע אותו תהליך פיזי, אך שימו לב שהכיוון הפוך. לאחר מכן, התהליך חוזר על עצמו ונמשך ללא הגבלת זמן, ויוצר חלוקת שדה חשמלי דומה לאיור 4.
איור 6
למידע נוסף על אנטנות, בקר בכתובת:
זמן פרסום: 20 ביוני 2024
