换个角度理解天线辐射

2017-02-17 by:CAE仿真在线来源:互联网

在本文中,我们尝试给出一个不考虑天线辐射电磁场理论,而是运用简单的物理学知识来解释天线是怎么辐射的。希望这样一个比较直观的说法,能对大家理解天线原理会有一些启发和帮助。

首先我们来看一下基本物理学名词。电荷,这是物理中的一个基本粒子(这里可以将它理解成和质量、重量、密度同一类的物理量)每一个存在的物体都会带有电荷。电荷存在于宇宙中的每一个粒子,这些粒子中含有正、负电荷(质子和电子),有些材料(例如金属)是导电的,因为它具有松散的电子束缚结构。因此,当电压加载在金属材料上时,电子环游电路,这种电子的流动称为电流。

如下图一所示,这是一个标准的点源电荷的电场示意图(我记得初中物理就有的一个物理模型,没有的话高中肯定有~~)实在不记得也没关系,我们只要知道这个模型都带些什么参数就行了。

换个角度理解天线辐射HFSS仿真分析图片1

图一:一个负电荷和与他相关的电场(箭头为抽象的电场线)

这个带负电荷的粒子产生一个无处不在并围绕着它的电场,电场是一个矢量数据,他是有大小(电场的强度)和方向(电场的指向,从无穷远处指向电荷)的,此外电场的强度大小取决于电荷的多少还有与电荷距离远近。另外,如果这是一个正电荷的话,那么他们的电场线将是从电荷指向远离电荷的方向。

现在我们推一下这个电荷(给他一个初始速度),电荷会以恒定的速度行驶,那么会产生一个什么样的现象呢?

首先当负电荷移动的时候,那么空间某固定点的电场的强度和方向就会发生变化,而这种变化是以光速扩散的(不要问我为什么,就是这么任性)。这意味着,当电荷移动时周围的电场是会变化的,而且这种变化还是以光速扩散的。如下图:

换个角度理解天线辐射HFSS仿真分析图片2
图二:电荷加速时的电场线示意图

一旦电荷移动,电场就会依照物理规则发生改变。这个变化的速度是光速,虽然很快,但是始终存在延时,如果空间某点离电荷越远,那么当电荷移动的时候,这个点的电场强度变化的延时就会越长,到最后长到可以被我们明显测量出来。这点可以在图二形象的看出来。

在上图二中,我们能看到三个区域,最内层的蓝色区域、中间的粉色区域和最外层的白色区域;蓝色区域是电荷移动后,已经发生改变的电场线示意图;粉色区域是由于电荷移动正在发生改变的电场线示意图;白色区域则是还未发生改变的电场线示意图。

到这里我们已经可以得到辐射的根本原因了,电场应为电荷的变化而产生变化。如果我们能产生一个移动的电荷集(就是一个简单的电流),那么我们就会有辐射。

现在大家可能会有这样的一些疑问:

Q: 首先,如果所有运动的电荷都能辐射,那么各种电源线也是天线了?交流电是50赫兹,那么电源线里面的电荷就是以50赫兹的频率来回摆动,所以这样会产生辐射?

A: 的确,这在一定程度的上来说也是天线,暂且不说这种天线的其他问题,首先,这是一条电源线,电源给电脑供电,电流流向电脑,最后流回来,形成闭合回路,这是两个相反的方向,所以,他们的辐射场会相互抵消掉。

Q: 如果它这么简单,那么一切都可以成为天线。我为什么不随便用一个金属片作为天线,把它挂在我的接收器上,然后忘记所有天线理论?

A: 没错,随便一个金属片的确可以作为天线。但是事情并不是就这么简单,这里会涉及到阻抗匹配问题(当然,并不止这些),随便使用一个金属片侧会出现阻抗不匹配的情况,这种情况会导致发射机给了100单位的能量,但是最后只通过金属片辐射出去10或者更低的能量。这么低的转换效率会导致另一端的接收机无法有效的识别到这些辐射过来的信号。

辐射是由变化运动的电荷产生变化的电场引起的。麦克斯韦方程组诠释了,不断变化的电场产生不断变化的磁场,不断变化的磁场又会产生不断变化的电场,相互交替激励,最终将加载在上面的信息传递出去。

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