輻射機理中文

1、輻射機理關(guān)于天線我們會有的第一個問題是“輻射是怎么完成的？”換言之，電磁場是怎么通過。饋點，到包含和引導的無線信號的傳輸線，再到天線最終從天線分離出去形成自由空間波束的？最好的解釋可以通過圖解說明。但是，讓我們先調(diào)查集中基本的源的輻射。單線電荷運動和電流流動是輸電線材質(zhì)的突出特點。讓我們假設(shè)電荷密度 qv（c/m3）按照Figure1.9均勻的分布在截面積為A,體積為V的圓形線上面。在體積V內(nèi)的全部的電荷量Q以相同的速率 vz（m/s）向z方向運動。截面積的電流密度Jz（A/m2）可以表示為：Jz= qvvz(1-1a)如果導線是有理想的電介質(zhì)構(gòu)成的，線表面的電流面密度 Js（A/m）可以表示

2、為：Js= qsvz (1-1b)qs是表面電荷密度。如果先導線特別細（理想值為0），那么導線電流可以用：Iz= qlvz (1-1c) ql是每單位長度的電荷量。我們首先來關(guān)注非常細的導線而不是調(diào)查3種電流密度。下面的結(jié)論可以應(yīng)用在3種電流密度上。如果電流是時變的，那么電流的派生方程可以表示為：dvz/dt = az (meters/sec2)電荷運動的加速度。如果導線長度為L，那么(1-2)可以被表示為：等式（1-3）表示的是電流和電荷的基本關(guān)系。它也可以用來表示電磁輻射的基本關(guān)系4, 5。它簡要描述了為了產(chǎn)生輻射，必須有時變的電流或者加速（或減速）運動的電荷。我們通常在電荷變描述為瞬態(tài)是

3、的時諧應(yīng)用中以電流為參考。為了產(chǎn)生加速（或減速）的電荷,導線必須是曲線的、彎曲的、不連續(xù)的或者終止的1， 4。周期性的電流加速（或減速）或者時變電流也在信號源是時諧振蕩的時候產(chǎn)生。如Figure 1.17所示的/2偶極子。因此：如果電荷不移動，電流沒有產(chǎn)生，那么沒有輻射。如果電荷一相同的速率移動：如果導線是直的，沒有輻射。如果導線是曲線的，彎曲的，不連續(xù)的，終結(jié)的（譯者注：接地），截頂?shù)?。就會有輻射。如Figure 1.10所示。如果信號源是時諧振蕩的，即使導線是直的也會有輻射。對輻射機制的本質(zhì)的了解可以通過實驗獲得。脈沖電流源連接兩端封閉的導線的。導線開放的末端通過離散負載到連接到地，如圖F

4、igure 1.10(d)所示。當導線被激勵時，導線中的電荷（自由電子）被設(shè)置為信號源強制的電力線路。當電荷在信號源的一段是加速并且在另一端的反射波是減速（負的加速度相對與初始動作）。那么就暗示輻射場在導線的每一端和余下的部分產(chǎn)生了。如果在信號源時諧震蕩過程中的脈沖很短或者持續(xù)時間很緊湊寬頻帶的強輻射產(chǎn)生。理想情況下，輻射的單一頻率由振蕩頻率決定。外部源強制電荷動作，并產(chǎn)生電荷加速度。在線的末端，導線中電荷的減速度由內(nèi)部（自己）驅(qū)動以及因為聚集在線的末端的電荷積累而產(chǎn)生的感應(yīng)電場產(chǎn)生。內(nèi)部驅(qū)動從電荷速度為V減小到0的過程中獲得能量。因此，因為活躍的電場產(chǎn)生電荷加速度和因為阻抗不連續(xù)或者光滑的彎

5、曲的導線減速度就是電磁場輻射的機理。雖然電流密度(Jc)和電荷密度(qv)在麥克斯韋方程中是變量，但是電荷可以被看作是更基礎(chǔ)的物理量，特別是對于瞬變的場。盡管這種對于輻射的解釋主要用于瞬態(tài)，他也可以用來解釋靜態(tài)的輻射4.Figure 1.10 輻射導線的結(jié)構(gòu)雙線讓我們來考慮把電壓源連接到一個另一端接著天線的雙線的傳輸線中。如Figure 1.11(a)所示。應(yīng)用一個加載兩條導線間的電壓源來產(chǎn)生導線間的電場。電場在各個點與電力線相切，他的強度正比于電場線密度。電力線有把自由電子（容易離開原子的）激發(fā)的趨勢。電荷的移動產(chǎn)生了電流，電流產(chǎn)生了磁場密度。與磁場強度相關(guān)的是與磁場正切的磁力線。我們已經(jīng)認

6、可了電場從正電荷出發(fā)，到負電荷截至。他們也可以從正電荷出發(fā)在無限遠出截至，在無線遠出出發(fā)在負電荷處截至，或者形成一個閉合的回路開始和結(jié)束在任意一個電荷。磁場線總是在閉合電流回路中產(chǎn)生因為實際中并不存在磁荷。在一些數(shù)學的公式中，引入磁荷和磁電流經(jīng)常可以很方便的描述關(guān)于電場源和磁場源解決方案的對比。畫在在兩個導體間的電場線幫助展示了電荷的分布。如果我們假設(shè)電壓源是正弦的，我們希望在導體間的電場也是與電壓源相同的正弦周期。電力線密度指明了電場強度，電力線的箭頭指明了電場的正負方向。導體間時變的電場和磁場形成了在傳輸線上傳播的電磁波。如Figure 1.11(a)所示。電磁波進入天線并和他的電荷與響應(yīng)

7、電流聯(lián)系起來。如果我們把天線結(jié)構(gòu)除去，如Figure 1.11(b)所示，自由空間波可以通過“連接”開放的末端電線（用虛線表示）形成。自由空間波形是可以預(yù)測的，但是常數(shù)相位P0表面上按照光速在半個周期內(nèi)行進/2(到 P1)。在靠近天線的常數(shù)相位點P0移動速度超過光速已經(jīng)被公諸于眾6。但是在遠離天線的點的速度與光速接近（類似矩形波導的加速度）。Figure 1.12展示了自由空間波形的扁長的內(nèi)焦距為/2的球狀體產(chǎn)生自由空間波形的生成和行進，其中是指波長。中心饋電的/2偶極子天線產(chǎn)生自由空間波速本質(zhì)上與扁長的球狀體相同（除非緊鄰天線）。如Figures 1.11 和 1.12所示，導電波怎么從天線

8、離開產(chǎn)生由閉合回路指明自由空間波形的問題還是沒有回答。在我們嘗試 解釋它之前，我們先描述一個導電波，自由空間波束和水波紋7的對比。這里的水紋波有鵝卵石掉入平靜的水面中產(chǎn)生或者有其他方法開始。一旦擾動在水中產(chǎn)生，水紋波會在水表面行進。如果擾動被去除，波不會停止或消失而是繼續(xù)它們的行進過程。如果持續(xù)擾動，新的波會落后與前面的波連續(xù)產(chǎn)生。這與電荷擾動產(chǎn)生電磁波是同樣的道理。如果由信號源產(chǎn)生起始的電荷擾動是短時間的，電磁報在傳輸線中傳輸，然后到天線，最后輻射到自由空間，即使信號源不復(fù)存在（就好像水紋波和產(chǎn)生它的擾動）。如果電荷擾動是連續(xù)的自然的，電磁波連續(xù)存在而且有序的跟在前面的電磁波。如圖Figur

9、e 1.13所示的雙錐型天線。當電磁波在傳輸線和天線中時，它們的存在有導體中的電荷表征。然而，當波形輻射，他們形成閉合的環(huán)路并且沒有電荷維持他們的存在。這使我們推出結(jié)論，場需要電荷激發(fā)，卻不需要電荷維持。場可以脫離電荷存在。這可以直接通過水紋波類比。偶極子現(xiàn)在我們嘗試解釋電力線從天線 形成自由空間波束的機制。這要從簡單的行進時間可以忽略不計的偶極子天線開始解釋。這只需要給出一個更好的關(guān)于電力線脫離的實際解釋。雖然是個有點簡單的機制，它也可以允許讀者把自由空間的波形形象化。Figure 1.14(a)展示了在第一個1/4周期電荷大到最大值時（假設(shè)是一個正弦時間周期）電力線在擁有中心饋電的天線臂之間生成并且已經(jīng)行進了/4。對于這個例子，假設(shè)線的條數(shù)為3。在下一個1/4周期。原始的3條線又行進了/4（一共/2從起始點算）且導體的電荷密度開始減小。這可以被認為第一個半周期結(jié)束時導體內(nèi)的電荷已經(jīng)被負電荷中和。負電荷產(chǎn)生的電力線是3條行進/4在半周期的第二個1/4周期，他們在Figure 1.14(b)被用虛線表示。最后的結(jié)果是有三條向上的