Þegar kemur að þvíloftnet, spurningin sem fólk hefur mestar áhyggjur af er „Hvernig myndast geislun í raun og veru?“ Hvernig berst rafsegulsviðið sem myndast af merkjagjafanum í gegnum sendingarlínuna og inni í loftnetinu og „aðskilst“ að lokum frá loftnetinu til að mynda frírýmisbylgju.
1. Geislun með einni vír
Gerum ráð fyrir að hleðsluþéttleikinn, tjáður sem qv (Coulomb/m3), sé jafndreifður í hringlaga vír með þversniðsflatarmál a og rúmmál V, eins og sýnt er á mynd 1.
Mynd 1
Heildarhleðslan Q í rúmmáli V hreyfist í z-átt með jöfnum hraða Vz (m/s). Hægt er að sanna að straumþéttleikinn Jz á þversniði vírsins er:
Jz = qv vz (1)
Ef vírinn er úr kjörleiðara, þá er straumþéttleikinn Js á yfirborði vírsins:
Js = qs vz (2)
Þar sem qs er hleðsluþéttleiki yfirborðsins. Ef vírinn er mjög þunnur (helst er radíusinn 0) má tákna strauminn í vírnum sem:
Iz = ql vz (3)
Þar sem ql (coulomb/meter) er hleðsla á lengdareiningu.
Við höfum aðallega áhyggjur af þunnum vírum og niðurstöðurnar eiga við um ofangreind þrjú tilvik. Ef straumurinn breytist með tímanum, þá er afleiða formúlunnar (3) með tilliti til tíma eftirfarandi:
(4)
az er hleðsluhröðunin. Ef vírlengdin er l, má rita (4) á eftirfarandi hátt:
(5)
Jafna (5) er grunntengslin milli straums og hleðslu, og einnig grunntengslin milli rafsegulgeislunar. Einfaldlega sagt, til að framleiða geislun verður að vera til staðar tímabreytilegur straumur eða hröðun (eða hraðaminnkun) hleðslu. Við nefnum venjulega straum í tímaharmonískum forritum, og hleðsla er oftast nefnd í skammvinnum forritum. Til að framleiða hleðsluhröðun (eða hraðaminnkun) verður vírinn að vera beygður, brotinn og ósamfelldur. Þegar hleðslan sveiflast í tímaharmonískri hreyfingu mun hún einnig framleiða reglubundna hleðsluhröðun (eða hraðaminnkun) eða tímabreytilegan straum. Þess vegna:
1) Ef hleðslan hreyfist ekki, verður enginn straumur og engin geislun.
2) Ef hleðslan hreyfist með jöfnum hraða:
a. Ef vírinn er beinn og óendanlega langur, þá er engin geislun.
b. Ef vírinn er beygður, brotinn eða ósamfelldur, eins og sýnt er á mynd 2, þá er um geislun að ræða.
3) Ef hleðslan sveiflast með tímanum mun hleðslan geisla jafnvel þótt vírinn sé beinn.
Mynd 2
Hægt er að fá eigindlega skilning á geislunarferlinu með því að skoða púlsgjafa sem er tengdur við opinn vír sem hægt er að jarðtengja í gegnum álag á opna endanum, eins og sýnt er á mynd 2(d). Þegar vírinn er upphaflega virkjaður eru hleðslurnar (frjálsar rafeindir) í vírnum settar af stað af rafsviðslínum sem myndast af gjafanum. Þegar hleðslurnar eru hraðaðar við upptökuenda vírsins og hægja á sér (neikvæð hröðun miðað við upphaflega hreyfingu) þegar þær endurkastast við enda hans, myndast geislunarsvið við enda hans og meðfram restinni af vírnum. Hröðun hleðnanna er framkvæmd með ytri kraftgjafa sem setur hleðslurnar af stað og framleiðir tilheyrandi geislunarsvið. Hröðun hleðnanna við enda vírsins er framkvæmd með innri kröftum sem tengjast örvuðu sviðinu, sem orsakast af uppsöfnun einbeittra hleðslna við enda vírsins. Innri kraftarnir fá orku frá uppsöfnun hleðslu þegar hraði hennar minnkar í núll við enda vírsins. Þess vegna eru hröðun hleðslna vegna örvunar rafsviðsins og hraðaminnkun hleðslna vegna ósamfellu eða sléttrar ferils vírviðnámsins þættirnir sem mynda rafsegulgeislun. Þó að bæði straumþéttleiki (Jc) og hleðsluþéttleiki (qv) séu upprunahugtök í jöfnum Maxwells, er hleðsla talin vera grundvallarstærð, sérstaklega fyrir skammvinn reiti. Þó að þessi skýring á geislun sé aðallega notuð fyrir skammvinn ástönd, er einnig hægt að nota hana til að útskýra stöðuga geislun.
Mæli með nokkrum frábærumloftnetsvörurframleitt afRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10GHz)
2. Tvívíra geislun
Tengdu spennugjafa við tveggja leiðara flutningslínu sem er tengd við loftnet, eins og sýnt er á mynd 3(a). Þegar spenna er sett á tveggja víra línuna myndast rafsvið milli leiðaranna. Rafsviðslínurnar verka á frjálsar rafeindir (auðvelt að aðskilja frá atómum) sem tengjast hverjum leiðara og neyða þær til að hreyfast. Hreyfing hleðslna myndar straum, sem aftur myndar segulsvið.
Mynd 3
Við höfum viðurkennt að rafsviðslínur byrja með jákvæðri hleðslu og enda með neikvæðri hleðslu. Auðvitað geta þær líka byrjað með jákvæðri hleðslu og endað í óendanleikanum; eða byrjað í óendanleikanum og endað með neikvæðri hleðslu; eða myndað lokaðar lykkjur sem hvorki byrja né enda með neinum hleðslum. Segulsviðslínur mynda alltaf lokaðar lykkjur í kringum straumleiðara vegna þess að engar segulhleðslur eru til staðar í eðlisfræði. Í sumum stærðfræðiformúlum eru jafngildar segulhleðslur og segulstraumar kynntar til að sýna fram á tvíhyggju lausna sem fela í sér orkugjafa og segulgjafa.
Rafsviðslínurnar sem teiknaðar eru milli tveggja leiðara hjálpa til við að sýna dreifingu hleðslunnar. Ef við gerum ráð fyrir að spennugjafinn sé sinuslaga, þá búumst við við að rafsviðið milli leiðaranna sé einnig sinuslaga með jafnlangan tíma og spennugjafinn. Hlutfallsleg stærð rafsviðsstyrksins er táknuð með þéttleika rafsviðslínanna og örvarnar gefa til kynna hlutfallslega stefnu (jákvæða eða neikvæða). Myndun tímabreytilegra raf- og segulsviða milli leiðaranna myndar rafsegulbylgju sem berst eftir flutningslínunni, eins og sýnt er á mynd 3(a). Rafsegulbylgjan fer inn í loftnetið með hleðslunni og samsvarandi straumi. Ef við fjarlægjum hluta af loftnetsbyggingunni, eins og sýnt er á mynd 3(b), er hægt að mynda frírýmisbylgju með því að „tengja“ opna enda rafsviðslínanna (sýnt með punktalínunum). Frírýmisbylgjan er einnig lotubundin, en fastafasapunkturinn P0 færist út á við á ljóshraða og ferðast vegalengdina λ/2 (til P1) á hálfu tímabili. Nálægt loftnetinu hreyfist fastafasapunkturinn P0 hraðar en ljóshraði og nálgast ljóshraða á stöðum langt frá loftnetinu. Mynd 4 sýnir dreifingu rafsviðsins í frírými λ∕2 loftnetsins við t = 0, t/8, t/4 og 3T/8.
Mynd 4 Dreifing rafsviðs í frírými λ∕2 loftnetsins við t = 0, t/8, t/4 og 3T/8
Það er ekki vitað hvernig stýrðu bylgjurnar aðskiljast frá loftnetinu og að lokum myndast til að breiðast út í tómarúmi. Við getum borið saman stýrðar og tómarúmsbylgjur við vatnsbylgjur, sem geta stafað af steini sem sleppt er í kyrrlátu vatni eða á annan hátt. Þegar truflun í vatninu hefst myndast vatnsbylgjur sem byrja að breiðast út á við. Jafnvel þótt truflunin stöðvist stöðvast bylgjurnar ekki heldur halda þær áfram að breiðast út. Ef truflunin heldur áfram myndast stöðugt nýjar bylgjur og útbreiðsla þessara bylgna er á eftir öðrum bylgjum.
Hið sama á við um rafsegulbylgjur sem myndast við rafmagnstruflanir. Ef upphafleg rafmagnstruflun frá upptökunum er skammvinn, þá breiðast rafsegulbylgjurnar út innan flutningslínunnar, fara síðan inn í loftnetið og geisla að lokum út sem frírýmisbylgjur, jafnvel þótt örvunin sé ekki lengur til staðar (alveg eins og vatnsbylgjurnar og truflunin sem þær sköpuðu). Ef rafmagnstruflunin er samfelld, þá eru rafsegulbylgjurnar til staðar samfellt og fylgja þeim fast á eftir meðan þær breiðast út, eins og sést á tvíkeilulaga loftnetinu sem sýnt er á mynd 5. Þegar rafsegulbylgjur eru innan flutningslína og loftneta er tilvist þeirra tengd tilvist rafhleðslu inni í leiðaranum. Hins vegar, þegar bylgjurnar eru geislaðar, mynda þær lokaða lykkju og það er engin hleðsla til að viðhalda tilvist þeirra. Þetta leiðir okkur að þeirri niðurstöðu að:
Örvun sviðsins krefst hröðunar og hraðaminnkunar hleðslunnar, en viðhald sviðsins krefst ekki hröðunar og hraðaminnkunar hleðslunnar.
Mynd 5
3. Tvípólgeislun
Við reynum að útskýra hvernig rafsviðslínurnar losna frá loftnetinu og mynda frírýmisbylgjur, og tökum tvípólaloftnetið sem dæmi. Þótt þetta sé einfölduð útskýring gerir hún fólki einnig kleift að sjá innsæi í myndun frírýmisbylgna. Mynd 6(a) sýnir rafsviðslínurnar sem myndast milli tveggja arma tvípólsins þegar rafsviðslínurnar færast út á við um λ∕4 í fyrsta fjórðungi hringrásarinnar. Í þessu dæmi skulum við gera ráð fyrir að fjöldi rafsviðslína sem myndast sé 3. Í næsta fjórðungi hringrásarinnar færast upphaflegu þrjár rafsviðslínurnar um λ∕4 til viðbótar (samtals λ∕2 frá upphafspunktinum) og hleðsluþéttleikinn á leiðaranum byrjar að minnka. Hana má líta svo á að hún myndist við tilkomu gagnstæðra hleðslna, sem jafna út hleðslurnar á leiðaranum í lok fyrri helmings hringrásarinnar. Rafsviðslínurnar sem myndast af gagnstæðum hleðslum eru 3 og færast um λ∕4 vegalengd, sem er táknað með punktalínunum á mynd 6(b).
Lokaniðurstaðan er sú að það eru þrjár niðuráviðslínur af rafsviði í fyrstu λ/4 fjarlægðinni og jafnmargar uppáviðslínur af rafsviði í þeirri seinni λ/4 fjarlægð. Þar sem engin nettóhleðsla er á loftnetinu verður að þvinga rafsviðslínurnar til að aðskiljast frá leiðaranum og sameinast til að mynda lokaða lykkju. Þetta er sýnt á mynd 6(c). Í seinni helmingnum er sama eðlisfræðilega ferli fylgt, en athugið að stefnan er öfug. Eftir það er ferlið endurtekið og heldur áfram endalaust, og myndar dreifingu rafsviðs svipaða og á mynd 4.
Mynd 6
Til að læra meira um loftnet, vinsamlegast farðu á:
Birtingartími: 20. júní 2024
