換個角度理解天線輻射

2017-02-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在本文中,我們嘗試給出一個不考慮天線輻射電磁場理論,而是運(yùn)用簡單的物理學(xué)知識來解釋天線是怎么輻射的。希望這樣一個比較直觀的說法,能對大家理解天線原理會有一些啟發(fā)和幫助。

首先我們來看一下基本物理學(xué)名詞。電荷,這是物理中的一個基本粒子(這里可以將它理解成和質(zhì)量、重量、密度同一類的物理量)每一個存在的物體都會帶有電荷。電荷存在于宇宙中的每一個粒子,這些粒子中含有正、負(fù)電荷(質(zhì)子和電子),有些材料(例如金屬)是導(dǎo)電的,因?yàn)樗哂兴缮⒌碾娮邮`結(jié)構(gòu)。因此,當(dāng)電壓加載在金屬材料上時,電子環(huán)游電路,這種電子的流動稱為電流。

如下圖一所示,這是一個標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)源電荷的電場示意圖(我記得初中物理就有的一個物理模型,沒有的話高中肯定有~~)實(shí)在不記得也沒關(guān)系,我們只要知道這個模型都帶些什么參數(shù)就行了。

換個角度理解天線輻射HFSS仿真分析圖片1

圖一:一個負(fù)電荷和與他相關(guān)的電場(箭頭為抽象的電場線)

這個帶負(fù)電荷的粒子產(chǎn)生一個無處不在并圍繞著它的電場,電場是一個矢量數(shù)據(jù),他是有大小(電場的強(qiáng)度)和方向(電場的指向,從無窮遠(yuǎn)處指向電荷)的,此外電場的強(qiáng)度大小取決于電荷的多少還有與電荷距離遠(yuǎn)近。另外,如果這是一個正電荷的話,那么他們的電場線將是從電荷指向遠(yuǎn)離電荷的方向。

現(xiàn)在我們推一下這個電荷(給他一個初始速度),電荷會以恒定的速度行駛,那么會產(chǎn)生一個什么樣的現(xiàn)象呢?

首先當(dāng)負(fù)電荷移動的時候,那么空間某固定點(diǎn)的電場的強(qiáng)度和方向就會發(fā)生變化,而這種變化是以光速擴(kuò)散的(不要問我為什么,就是這么任性)。這意味著,當(dāng)電荷移動時周圍的電場是會變化的,而且這種變化還是以光速擴(kuò)散的。如下圖:

換個角度理解天線輻射HFSS仿真分析圖片2
圖二:電荷加速時的電場線示意圖

一旦電荷移動,電場就會依照物理規(guī)則發(fā)生改變。這個變化的速度是光速,雖然很快,但是始終存在延時,如果空間某點(diǎn)離電荷越遠(yuǎn),那么當(dāng)電荷移動的時候,這個點(diǎn)的電場強(qiáng)度變化的延時就會越長,到最后長到可以被我們明顯測量出來。這點(diǎn)可以在圖二形象的看出來。

在上圖二中,我們能看到三個區(qū)域,最內(nèi)層的藍(lán)色區(qū)域、中間的粉色區(qū)域和最外層的白色區(qū)域;藍(lán)色區(qū)域是電荷移動后,已經(jīng)發(fā)生改變的電場線示意圖;粉色區(qū)域是由于電荷移動正在發(fā)生改變的電場線示意圖;白色區(qū)域則是還未發(fā)生改變的電場線示意圖。

到這里我們已經(jīng)可以得到輻射的根本原因了,電場應(yīng)為電荷的變化而產(chǎn)生變化。如果我們能產(chǎn)生一個移動的電荷集(就是一個簡單的電流),那么我們就會有輻射。

現(xiàn)在大家可能會有這樣的一些疑問:

Q: 首先,如果所有運(yùn)動的電荷都能輻射,那么各種電源線也是天線了?交流電是50赫茲,那么電源線里面的電荷就是以50赫茲的頻率來回擺動,所以這樣會產(chǎn)生輻射?

A: 的確,這在一定程度的上來說也是天線,暫且不說這種天線的其他問題,首先,這是一條電源線,電源給電腦供電,電流流向電腦,最后流回來,形成閉合回路,這是兩個相反的方向,所以,他們的輻射場會相互抵消掉。

Q: 如果它這么簡單,那么一切都可以成為天線。我為什么不隨便用一個金屬片作為天線,把它掛在我的接收器上,然后忘記所有天線理論?

A: 沒錯,隨便一個金屬片的確可以作為天線。但是事情并不是就這么簡單,這里會涉及到阻抗匹配問題(當(dāng)然,并不止這些),隨便使用一個金屬片側(cè)會出現(xiàn)阻抗不匹配的情況,這種情況會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)給了100單位的能量,但是最后只通過金屬片輻射出去10或者更低的能量。這么低的轉(zhuǎn)換效率會導(dǎo)致另一端的接收機(jī)無法有效的識別到這些輻射過來的信號。

輻射是由變化運(yùn)動的電荷產(chǎn)生變化的電場引起的。麥克斯韋方程組詮釋了,不斷變化的電場產(chǎn)生不斷變化的磁場,不斷變化的磁場又會產(chǎn)生不斷變化的電場,相互交替激勵,最終將加載在上面的信息傳遞出去。

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