換個角度理解天線輻射

2017-02-17 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在本文中,我們嘗試給出一個不考慮天線輻射電磁場理論,而是運用簡單的物理學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和幫助。

首先我們來看一下基本物理學名詞。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、負電荷(質子和電子),有些材料(例如金屬)是導電的,因為它具有松散的電子束縛結構。因此,當電壓加載在金屬材料上時,電子環游電路,這種電子的流動稱為電流。

如下圖一所示,這是一個標準的點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~~)實在不記得也沒關系,我們只要知道這個模型都帶些什么參數就行了。

換個角度理解天線輻射HFSS仿真分析圖片1

圖一:一個負電荷和與他相關的電場(箭頭為抽象的電場線)

這個帶負電荷的粒子產生一個無處不在并圍繞著它的電場,電場是一個矢量數據,他是有大小(電場的強度)和方向(電場的指向,從無窮遠處指向電荷)的,此外電場的強度大小取決于電荷的多少還有與電荷距離遠近。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離電荷的方向。

現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,那么會產生一個什么樣的現象呢?

首先當負電荷移動的時候,那么空間某固定點的電場的強度和方向就會發生變化,而這種變化是以光速擴散的(不要問我為什么,就是這么任性)。這意味著,當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則發生改變。這個變化的速度是光速,雖然很快,但是始終存在延時,如果空間某點離電荷越遠,那么當電荷移動的時候,這個點的電場強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。這點可以在圖二形象的看出來。

在上圖二中,我們能看到三個區域,最內層的藍色區域、中間的粉色區域和最外層的白色區域;藍色區域是電荷移動后,已經發生改變的電場線示意圖;粉色區域是由于電荷移動正在發生改變的電場線示意圖;白色區域則是還未發生改變的電場線示意圖。

到這里我們已經可以得到輻射的根本原因了,電場應為電荷的變化而產生變化。如果我們能產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。

現在大家可能會有這樣的一些疑問:

Q: 首先,如果所有運動的電荷都能輻射,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(當然,并不止這些),隨便使用一個金屬片側會出現阻抗不匹配的情況,這種情況會導致發射機給了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。這么低的轉換效率會導致另一端的接收機無法有效的識別到這些輻射過來的信號。

輻射是由變化運動的電荷產生變化的電場引起的。麥克斯韋方程組詮釋了,不斷變化的電場產生不斷變化的磁場,不斷變化的磁場又會產生不斷變化的電場,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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