天线辐射机理

辐射机理

关于天线我们会有的第一个问题是“辐射是怎么完成的？”换言之，电磁场是怎么通过。馈点，到包含和引导的无线信号的传输线，再到天线最终从天线分离出去形成自由空间波束的？最好的解释可以通过图解说明。但是，让我们先调查集中基本的源的辐射。

1.3.1单线

电荷运动和电流流动是输电线材质的突出特点。让我们假设电荷密度 q（vc/m^3）按照Figure1.9均匀的分布在截面积为A,体积为V的圆形线上面。在体积V内的全部的电荷量Q以相同的速率 vz（m/s）向z方向运动。截面积的电流密度Jz（A/m^2）可以表示为：

Jz= qvvz(1-1a)

如果导线是有理想的电介质构成的，线表面的电流面密度 Js（A/m）可以表示为： Js= qsvz (1-1b)

，那么导线电流可以用： qs是表面电荷密度。如果先导线特别细（理想值为0）

Iz= qlvz (1-1c)

ql是每单位长度的电荷量。我们首先来关注非常细的导线而不是调查3种电流密度。下面的结论可以应用在3种电流密度上。如果电流是时变的，那么电流的派生方程可以表示为：

dvz/dt = az (meters/sec)电荷运动的加速度。如果导线长度为L，那么(1-2)可以被表示为：

2

等式（1-3）表示的是电流和电荷的基本关系。它也可以用来表示电磁辐射的基本关系[4], [5]。它简要描述了为了产生辐射，必须有时变的电流或者加速（或减速）运动的电荷。我们通常在电荷变描述为瞬态是的时谐应用中以电流为参考。为了产生加速（或减速）的电荷,导线必须是曲线的、弯曲的、不连续的或者终止的[1]， [4]。周期性的电流加速（或减速）或者时变电流也在信号源是时谐振荡的时候产生。如Figure 1.17所示的λ/2偶极子。因此：

如果电荷不移动，电流没有产生，那么没有辐射。

如果电荷一相同的速率移动：

如果导线是直的，没有辐射。

如果导线是曲线的，弯曲的，不连续的，终结的（译者注：接地），截顶的。就会有辐射。如Figure 1.10所示。

如果信号源是时谐振荡的，即使导线是直的也会有辐射。

对辐射机制的本质的了解可以通过实验获得。脉冲电流源连接两端封闭的导线的。导线开放的末端通过离散负载到连接到地，如图Figure 1.10(d)所示。当导线被激励时，导线中的电荷（自由电子）被设置为信号源强制的电力线路。当电荷在信号源的一段是加速并且在另一端的反射波是减速（负的加速度相对与初始动作）。那么就暗示辐射场在导线的每一端和余下的部分产生了。如果在信号源时谐震荡过程中的脉冲很短或者持续时间很紧凑宽频带的强辐射产生。理想情况下，辐射的单一频率由振荡频率决定。外部源强制电荷动作，并产生电荷加速度。在线的末端，导线中电荷的减速度由内部（自己）驱动以及因为聚集在线的末端的电荷积累而产生的感应电场产生。内部驱动从电荷速度为V减小到0的过程中获得能量。因此，因为活跃的电场产生电荷加速度和因为阻抗不连续或者光滑的弯曲的导线减速度就是电磁场辐射的机理。虽然电流密度(Jc)和电荷密度(qv)在麦克斯韦方程中是变量，但是电荷可以被看作是更基础的物理量，特别是对于瞬变的场。尽管这种对于辐射的解释主要用于瞬态，他也可以用来解释静态的辐射

[4].

Figure 1.10 辐射导线的结构

1.3.2双线

让我们来考虑把电压源连接到一个另一端接着天线的双线的传输线中。如Figure 1.11(a)所示。应用一个加载两条导线间的电压源来产生导线间的电场。电场在各个点与电力线相切，他的强度正比于电场线密度。电力线有把自由电子（容易离开原子的）激发的趋势。电荷的移动产生了电流，电流产生了磁场密度。与磁场强度相关的是与磁场正切的磁力线。

我们已经认可了电场从正电荷出发，到负电荷截至。他们也可以从正电荷出发在无限远出截至，在无线远出出发在负电荷处截至，或者形成一个闭合的回路开始和结束在任意一个电荷。磁场线总是在闭合电流回路中产生因为实际中并不存在磁荷。在一些数学的公式中，引入磁荷和磁电流经常可以很方便的描述关于电场源和磁场源解决方案的对比。

画在在两个导体间的电场线帮助展示了电荷的分布。如果我们假设电压源是正弦的，我们希望在导体间的电场也是与电压源相同的正弦周期。电力线密度指明了电场强度，电力线的箭头指明了电场的正负方向。导体间时变的电场和磁场形成了在传输线上传播的电磁波。如Figure 1.11(a)所示。电磁波进入天线并和他的电荷与响应电流联系起来。如果我们把天线结构除去，如Figure 1.11(b)所示，自由空间波可以通过“连接”开放的末端电线（用虚线表示）形成。 自由空间波形是可以预测的，但是常数相位P0表面上按照光速在半个周期内行进λ/2(到 P1)。在靠近天线的常数相位点P0移动速度超过光速已经被公诸于众

[6]。但是在远离天线的点的速度与光速接近（类似矩形波导的加速度）。Figure

1.12展示了自由空间波形的扁长的内焦距为λ/2的球状体产生自由空间波形的生成和行进，其中λ是指波长。中心馈电的λ/2偶极子天线产生自由空间波速本质上与扁长的球状体相同（除非紧邻天线）。如Figures 1.11 和 1.12所示，导电波怎么从天线离开产生由闭合回路指明自由空间波形的问题还是没有回答。在我们尝试 解释它之前，我们先描述一个导电波，自由空间波束和水波纹[7]的对比。这里的水纹波有鹅卵石掉入平静的水面中产生或者有其他方法开始。一旦扰动在水中产生，水纹波会在水表面行进。如果扰动被去除，波不会停止或消失而是继续它们的行进过程。如果持续扰动，

新的波会落后与前面的波连续产生。

这与电荷扰动产生电磁波是同样的道理。如果由信号源产生起始的电荷扰动是短时间的，电磁报在传输线中传输，然后到天线，最后辐射到自由空间，即使信号源不复存在（就好像水纹波和产生它的扰动）。如果电荷扰动是连续的自然的，电磁波连续存在而且有序的跟在前面的电磁波。如图Figure 1.13所示的双锥型天线。当电磁波在传输线和天线中时，它们的存在有导体中的电荷表征。然而，当波形辐射，他们形成闭合的环路并且没有电荷维持他们的存在。这使我们推出结论，场需要电荷激发，却不需要电荷维持。场可以脱离电荷存在。这可以直接通过水纹波类比。

1.3.3偶极子

现在我们尝试解释电力线从天线 形成自由空间波束的机制。这要从简单的行进时间可以忽略不计的偶极子天线开始解释。这只需要给出一个更好的关于电力线脱离的实际解释。虽然是个有点简单的机制，它也可以允许读者把自由空间的波形形象化。Figure 1.14(a)展示了在第一个1/4周期电荷大到最大值时（假设是一个正弦时间周期）电力线在拥有中心馈电的天线臂之间生成并且已经行进了λ/4。对于这个例子，假设线的条数为3。在下一个1/4周期。原始的3条线又行进了λ/4（一共λ/2从起始点算）且导体的电荷密度开始减小。这可以被认为第一个半周期结束时导体内的电荷已经被负电荷中和。负电荷产生的电力线是3

他们在Figure 1.14(b)被用虚线表示。条行进λ/4在半周期的第二个1/4周期，

最后的结果是有三条向上的电力线在第一个λ/4距离和相同的三条电力线在第二λ/4距离。由于这时候天线上没有净电荷，电力线一定会被强制离开导体并且联合形成闭合环路。如Figure 1.14(c)所示。在剩下的半周期，紧跟着的是相同但是方向相反的步骤。在那结束后，这个过程重复并且无期限的继续且类似Figure 1.12电场模式形成了。