換個(gè)角度理解天線輻射

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

在本文中,我們嘗試給出一個(gè)不考慮天線輻射電磁場(chǎng)理論,而是運(yùn)用簡(jiǎn)單的物理學(xué)知識(shí)來(lái)解釋天線是怎么輻射的。希望這樣一個(gè)比較直觀的說(shuō)法,能對(duì)大家理解天線原理會(huì)有一些啟發(fā)和幫助。

首先我們來(lái)看一下基本物理學(xué)名詞。電荷,這是物理中的一個(gè)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(gè)存在的物體都會(huì)帶有電荷。電荷存在于宇宙中的每一個(gè)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(shí),電子環(huán)游電路,這種電子的流動(dòng)稱為電流。

如下圖一所示,這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)源電荷的電場(chǎng)示意圖(我記得初中物理就有的一個(gè)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(gè)模型都帶些什么參數(shù)就行了。

換個(gè)角度理解天線輻射HFSS仿真分析圖片1

圖一:一個(gè)負(fù)電荷和與他相關(guān)的電場(chǎng)(箭頭為抽象的電場(chǎng)線)

這個(gè)帶負(fù)電荷的粒子產(chǎn)生一個(gè)無(wú)處不在并圍繞著它的電場(chǎng),電場(chǎng)是一個(gè)矢量數(shù)據(jù),他是有大小(電場(chǎng)的強(qiáng)度)和方向(電場(chǎng)的指向,從無(wú)窮遠(yuǎn)處指向電荷)的,此外電場(chǎng)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(gè)正電荷的話,那么他們的電場(chǎng)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(gè)電荷(給他一個(gè)初始速度),電荷會(huì)以恒定的速度行駛,那么會(huì)產(chǎn)生一個(gè)什么樣的現(xiàn)象呢?

首先當(dāng)負(fù)電荷移動(dòng)的時(shí)候,那么空間某固定點(diǎn)的電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向就會(huì)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(dòng)時(shí)周圍的電場(chǎng)是會(huì)變化的,而且這種變化還是以光速擴(kuò)散的。如下圖:

換個(gè)角度理解天線輻射HFSS仿真分析圖片2
圖二:電荷加速時(shí)的電場(chǎng)線示意圖

一旦電荷移動(dòng),電場(chǎng)就會(huì)依照物理規(guī)則發(fā)生改變。這個(gè)變化的速度是光速,雖然很快,但是始終存在延時(shí),如果空間某點(diǎn)離電荷越遠(yuǎn),那么當(dāng)電荷移動(dòng)的時(shí)候,這個(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化的延時(shí)就會(huì)越長(zhǎng),到最后長(zhǎng)到可以被我們明顯測(cè)量出來(lái)。這點(diǎn)可以在圖二形象的看出來(lái)。

在上圖二中,我們能看到三個(gè)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(dòng)后,已經(jīng)發(fā)生改變的電場(chǎng)線示意圖;粉色區(qū)域是由于電荷移動(dòng)正在發(fā)生改變的電場(chǎng)線示意圖;白色區(qū)域則是還未發(fā)生改變的電場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)為電荷的變化而產(chǎn)生變化。如果我們能產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)的電荷集(就是一個(gè)簡(jiǎn)單的電流),那么我們就會(huì)有輻射。

現(xiàn)在大家可能會(huì)有這樣的一些疑問:

Q: 首先,如果所有運(yùn)動(dòng)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(lái)回?cái)[動(dòng),所以這樣會(huì)產(chǎn)生輻射?

A: 的確,這在一定程度的上來(lái)說(shuō)也是天線,暫且不說(shuō)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(lái),形成閉合回路,這是兩個(gè)相反的方向,所以,他們的輻射場(chǎng)會(huì)相互抵消掉。

Q: 如果它這么簡(jiǎn)單,那么一切都可以成為天線。我為什么不隨便用一個(gè)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(cuò),隨便一個(gè)金屬片的確可以作為天線。但是事情并不是就這么簡(jiǎn)單,這里會(huì)涉及到阻抗匹配問題(當(dāng)然,并不止這些),隨便使用一個(gè)金屬片側(cè)會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配的情況,這種情況會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)給了100單位的能量,但是最后只通過(guò)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(huì)導(dǎo)致另一端的接收機(jī)無(wú)法有效的識(shí)別到這些輻射過(guò)來(lái)的信號(hào)。

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

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