Bagaimana antena memancarkan (bagaimana arus mengalir melalui kawat)

Saya tidak mengerti bagaimana antena memancarkan sinyal.

Saya mengerti dasar-dasar antena (panjang gelombang, bidang elektron E, ...), tapi saya tidak mengerti bagaimana arus dapat melalui kawat yang tidak memiliki kutub negatif.

Bisakah Anda jelaskan hal itu kepada saya?

Saya kira Anda tidak mengerti bagaimana arus dapat mengalir jika tidak ada rangkaian lengkap. Mari kita ambil sebuah dipol gelombang sederhana sebagai contoh:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Bagaimana aliran arus, karena tidak ada rangkaian lengkap dari "-" ke "+" dari V1?

Pertimbangkan ini: relatif terhadap kecepatan di mana gelombang dalam medan elektromagnetik merambat, dipol itu panjang. Memang benar bahwa arus tidak dapat mengalir, tetapi ia tidak tahu itu sampai akhir. Saat arus mendekati ujung kabel tetapi tidak memiliki tempat untuk pergi, muatan menumpuk sampai mereka didorong kembali ke arah lain. Pada saat itu kembali, ia bepergian atau mengalami pergeseran fase 180 ∘ . Tegangan pada V1 juga telah berubah pada titik ini, sehingga arus secara konstruktif menambah arus baru yang diproduksi oleh V1. Jika bukan karena sebagian energi ini hilang sebagai radiasi, energi dalam antena ini akan tumbuh tanpa batas.$\lambda/2$$180^\circ$

Mengapa energi terpancar itu rumit. Jawaban panjangnya adalah " persamaan Maxwell ". Jika Anda tidak ingin memahami semua detail kasar dari matematika itu, maka inilah pemahaman sederhana dan tidak lengkap: arus dalam antena dikaitkan dengan medan magnet, dan tegangan dikaitkan dengan medan listrik. Antena adalah pengaturan sedemikian rupa sehingga agak jauh dari antena ( medan jauh ) kedua bidang ini saling tegak lurus dan dalam fase, dan yang Anda dapatkan adalah gelombang yang merambat sendiri seperti ini:

Merah adalah medan listrik (E), dan biru adalah medan magnet (B). Ini adalah jenis gelombang yang akan dipancarkan oleh dipol sejajar dengan sumbu Z.

Ini versi yang disederhanakan yang membantu saya melewati ketidaktahuan noob saya sendiri.

Pada dasarnya ada dua jenis antena kecil: antena loop kecil, dan antena dipol pendek. Antena loop kecil hanyalah sebuah cincin kawat, dan setiap arus di kawat menghasilkan medan magnet yang mengelilingi antena. Perangkat ini adalah sebuah induktor, tetapi yang memiliki medan magnet mengisi ruang yang besar.

Di sisi lain, antena dipol pendek hanyalah sepasang "pelat kapasitor" logam yang menjulur ke udara, dan jika tegangan diterapkan di atasnya, akan ada medan-e di ruang sekitarnya. Perangkat ini hanya sebuah kapasitor, tetapi sekali lagi, ia memiliki bidang pengisian ruang yang besar di wilayah sekitarnya.

Terapkan gelombang sinus alih-alih volt atau arus konstan, dan bidang di sekitar "antena" akan membesar, lalu berkontraksi menjadi nol, lalu membesar lagi tetapi menunjuk ke belakang ... lalu ulangi. Tidak ada gelombang yang dihasilkan, jadi mereka sama sekali bukan antena radio. Tetapi mereka menciptakan beberapa bidang EM lokal di luar angkasa.

Inilah proyek video "TEAL" di MIT dengan versi visual dari proses tersebut:

Memperluas / mengontrak bidang-b atau bidang-e

OKE sejauh ini? Antena loop menghasilkan medan magnet, dan antena dipol menghasilkan medan listrik. Hal-hal aneh mulai terjadi ketika kami menggerakkan kedua antena dengan frekuensi sangat tinggi. Itu, atau kita dapat membuat versi dari antena mana pun dengan ukuran yang begitu besar sehingga bahkan 60Hz akan menjadi sejenis "sinyal radio" sejauh menyangkut antena.

Begini masalahnya: medan magnet atau listrik yang mengelilingi antena itu tidak dapat mengembang atau berkontraksi lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Jadi, apa yang terjadi jika pulsa AC yang diterapkan pada perangkat ini "terlalu cepat?" Ladang di sekitar induktor atau kapasitor harus membesar ke luar dan kemudian tersedot kembali, tetapi bagaimana jika kecepatannya hampir sama dengan kecepatan cahaya? Saat itulah ladang berhenti bertindak seperti menggembungkan atau mengontrak balon yang tak terlihat. Alih-alih, bidang mulai berperilaku sebagai gelombang.

Jadi, ketika kita membalik polaritas selama gelombang sinus AC, bidang-e atau medan-b tidak sepenuhnya tersedot kembali seperti biasa. Sebaliknya itu terlepas dari antena dan terus bergerak. Beberapa energi medan tidak diambil, dan sebaliknya hilang ke ruang angkasa. Antena loop kami tidak lagi hanya sebuah induktor, dan mulai membuat gelombang. Dan dipol kami sekarang adalah peluncur gelombang dan bukan hanya kapasitor.

YT vid: Bidang EM yang mengelilingi antena kecil

Pertanyaan bagus! Jawaban yang rumit. Untuk memahami mengapa ini terjadi tanpa jalur balik ("kutub negatif"), Anda harus bergerak melampaui Hukum-Ohm.

Semua biaya yang dipercepat terpancar. Jadi segala sesuatu yang melakukan arus bolak-balik berfungsi sebagai antena. Namun seringkali mereka adalah antena yang buruk dan tidak memancarkan dengan baik. Akibatnya, aspek ini sering kali diabaikan begitu saja untuk menyederhanakan masalah.

Untuk membuat antena yang baik, Anda harus mentransfer daya (energi terkandung dalam voltase dan arus) ke radiasi elektromagnetik (di mana energi terkandung dalam medan E- dan H) yang bepergian jauh dari antena. Ini membutuhkan impedansi antena Anda untuk dicocokkan secara kasar, dan bahwa arus yang menyebabkan radiasi bertambah dalam fase sehingga mereka tidak membatalkan satu sama lain seperti pada saluran transmisi. Seperti yang disebutkan oleh Jim Dearden, Anda dapat merancang ini untuk mendapatkan gelombang berdiri atau membatalkannya tergantung pada panjang fisiknya.

Masalah dengan pertanyaan Anda tentang "tidak memiliki kutub negatif" terkait dengan menggunakan model rangkaian sederhana yang tidak peduli dengan aspek 3d dan bidang tegangan dan arus. Arus dapat mengalir dalam segala hal yang konduktif (kutub atau tidak ada kutub). Gelombang EM (elektromagnetik) eksternal melakukan ini sepanjang waktu. Namun tidak ada model ohm-law yang dapat memprediksi ini.

Untuk melangkah maju dari hukum ohm sederhana, insinyur telah mengadopsi model "Radiasi Resistance". Ini digunakan dengan cara yang sama dengan resistensi ohmik standar. Dalam hukum ohm, energi yang dihamburkan diubah menjadi panas. Dalam model ketahanan radiasi, energi yang dihamburkan diubah menjadi radiasi.

Resistensi radiasi hanyalah alat sederhana untuk membantu insinyur mengevaluasi elemen rangkaian yang diketahui (yaitu biasanya beberapa pria RF menghitungnya untuk Anda) tanpa harus menggunakan Persamaan Maxwell dan menerapkan kondisi batas pada sirkuit fisik untuk memahami dengan tepat mode radiasi.

Kunci nyata untuk memahami perilaku sirkuit adalah untuk memahami kapan aspek radiasi penting untuk dipertimbangkan. Ketika frekuensi operasi suatu sirkuit memiliki panjang gelombang yang secara fisik mendekati ukuran sirkuit, maka Hukum Ohm mulai rusak dengan cepat. Sebagai aturan praktis jika rasio antara panjang gelombang dan ukuran sirkuit lebih besar dari 0,1 maka Anda perlu menerapkan Persamaan Maxwell untuk memahami bagaimana sirkuit itu akan bekerja. Jadi istilah "seperempat gelombang" antena harus menjadi petunjuk bahwa Anda perlu menerapkan teori EM untuk memahami apa yang dilakukan sirkuit.

Jika Anda punya waktu, cobalah untuk mencerna artikel ini tentang memahami Radiasi EM . Ini dirancang untuk mengajari para insinyur tentang bagaimana sirkuit dapat bekerja dengan cara yang tidak dapat diprediksi oleh hukum ohm. Memang ada banyak teori EM di dalamnya, tetapi Anda tidak perlu benar-benar memahami semua itu untuk menghargai ada perbedaan besar dalam analisis sirkuit ketika frekuensi operasi Anda mendekati ukuran fisik dari sirkuit Anda.

EDIT: Saya hanya memikirkan contoh lain yang mungkin bisa membantu. Kapasitor tidak memiliki jalur balik, mereka hanya sirkuit terbuka, namun entah bagaimana mereka bekerja, kan? Ini (dan induktor yang hanya celana pendek) hanya berfungsi karena sifat radiasi mereka. Insinyur telah menemukan cara untuk mengubah persamaan EM menjadi elemen tetap (atau elemen disejajarkan) sehingga mereka dapat dimasukkan ke dalam model ohm-law sehingga membuatnya lebih mudah untuk digunakan. Seperti halnya antena, mungkin ada lebih banyak hal yang terjadi daripada sekadar sepotong logam yang tidak ada hasilnya.

Ini mungkin tidak benar-benar menjawab Q, tetapi tidak seperti beberapa penjelasan tekstual sebelumnya, bagi saya memahami dipol (antena) -dan bagaimana memancarkannya-, berasal dari memahami rangkaian LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

setelah melihat animasi sederhana ini ("Bagaimana bentuk dipol"):

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipolentstehung.gif

Itu benar-benar membuka mata, tidak seperti satu ton teks.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipole_receiving_antenna_animation_6_800x394x150ms.gif

Bagaimana arus mengalir melalui kabel dalam antena harus dilakukan dengan fakta bahwa kecepatan cahaya terbatas, dan antena memiliki ukuran tidak nol (relatif terhadap kecepatan cahaya pada frekuensi desain antena), serta non- nol kapasitansi. Fisika dasar.

Karena kecepatan cahaya menjadi terbatas, salah satu ujung kawat panjang tidak nol dapat berada pada tegangan yang berbeda dan memiliki muatan yang berbeda dari ujung lainnya, karena kecepatan cahaya mencegahnya menyamakan kedudukan secara instan. Beberapa waktu akan diperlukan (pada urutan sekitar nanodetik untuk setiap kaki kawat, atau sekitar 3 nS per meter, bahkan mungkin sedikit lebih lambat).

Katakanlah Anda menghubungkan kabel ke baterai, arus atau elektron mengalir di satu ujung dan keluar yang lain. Tetapi bagaimana jika kabelnya sangat lama, katakanlah 0,25 uS agar kecepatan cahaya mencapai dari satu ujung ke ujung lainnya? Kemudian, jika arus mulai mengalir di satu ujung, arus itu tidak akan benar-benar "tahu" jika arus mengalir keluar dari ujung kawat ke baterai hingga 0,25 us kemudian.

Jadi, jika Anda menghubungkan hanya satu ujung kawat ke sumber tegangan, arus mulai mengalir, dan ketika mencapai ujung kabel, mengisi ujung kabel, seperti kapasitor, karena tidak memiliki ke mana lagi pergi (tidak ada terminal baterai yang berlawanan ditemukan). Tetapi jika Anda mengendarai ujung dekat dengan osilator 1 MHz alih-alih baterai DC, pada saat ujung jauh terisi, ujung dekat dengan cepat membalikkan tegangan, tepat pada waktunya untuk melepaskan kapasitor itu (karena butuh 0,25 uS lainnya untuk biaya itu untuk melakukan perjalanan kembali ke titik pakan).

Panjang kawat yang terbatas itu juga memiliki induktansi. Induktansi itu akan menyebabkan EMF terbalik menahan muatan yang melewati kawat. Hambatan itu menyebabkan hilangnya energi dalam kawat, dan kekekalan energi menempatkan energi itu ke dalam medan elektromagnetik yang berpacu jauh dari antena dengan kecepatan cahaya, dan lebih cepat daripada gelombang penangkal apa pun (disebabkan oleh muatan pada kawat yang berbalik arah) dapat mengejar dan membatalkannya. Bagian depan medan EM yang bergantian berubah menjadi gelombang RF standar saat memancar dari medan dekat antena.

Kutub negatif rangkaian adalah ujung jauh dari setengah dipol lainnya, yang diisi dan dibuang secara terbalik. Atau, dalam kasus antena monopole vertikal, planet bumi (dan / atau kabel ground, kotak radio, tangan Anda, akhirnya seluruh alam semesta) akhirnya menjadi pelat yang berlawanan dari kapasitor.

Saya kira pendekatan ini meskipun tidak sepenuhnya benar dapat membantu. Coba bayangkan baterai dan 2 kabel yang terhubung di terminalnya terbuka. Ampuh ada di baterai. Itu berarti ada medan listrik di baterai, sekarang bidang ini melalui kabel yang terhubung, menyebabkan akumulasi + ve dan -ve muatan pada masing-masing ujung sampai potensi yang sama tercapai, ini tetap sampai potensi baterai tidak berubah. Sekarang kedua ujung terbuka memiliki potensi yang sama besarnya dengan Baterai. Sekarang jika saya meningkatkan potensi baterai, beberapa biaya lagi akan bergerak ke ujung sampai potensi seimbang. Dan ketika saya mengurangi potensi beberapa biaya akan bergerak kembali. Padahal pergerakan dakwaan hanya untuk jangka waktu singkat. Gerakan ini terjadi terus menerus ketika tegangan AC diberikan, berosilasi secara efektif dan karenanya menghasilkan gelombang EM. Semoga ini membantu :)

Mekanisme Radiasi Dan Antena

Gelombang radio tidak terlihat bergantian saat ini di atmosfer. Gelombang cahaya terlihat bergantian saat ini di atmosfer.

Antena adalah terminal arus listrik; tidak ada arus yang melewati antena, hanya tegangan yang berosilasi dengan arus input. Tegangan berosilasi dalam antena pemancar menginduksi arus bolak-balik di udara, merambat menjauh dari permukaan antena pada sudut 90 derajat, melewati udara untuk mencapai antena penerima dan untuk menginduksi tegangan berosilasi di dalamnya.

Dalam prosesnya, antena seperti balon, arus seperti udara, dan tegangannya seperti tekanan udara.

Ketika udara memompa keluar-masuk balon, tekanan pada balon akan terus berubah dan menghasilkan gelombang suara memanjang di udara.

Demikian pula, ketika elektron memompa masuk dan keluar dari antena, tegangan dalam antena akan terus berubah dan menghasilkan gelombang elektrostatik longitudinal di udara. Ini sebenarnya adalah arus bolak-balik di udara.

Di ruang hampa udara, gaya Coulomb adalah konduktor energi listrik. Garis pandang elektron pada permukaan antena terus-menerus saling tolak dengan kekuatan Coulomb. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Gaya tolakan ini bertindak sebagai batang kaku tanpa massa dan tubuh, dan langsung mentransfer energi listrik bolak-balik antara dua antena.

Pegang magnet di masing-masing tangan, dengan kutub yang sama saling berhadapan. Apakah Anda merasakan kekuatan tolakan yang kuat? Iya nih. Melambaikan satu tangan masuk dan keluar. Rasakan energi kinetik langsung ditransfer ke sisi lain? Iya nih. Apakah kedua tangan melambai pada frekuensi yang sama? Iya nih. Apakah ada gelombang magnet yang bergerak di antara kedua tangan? Tidak.

Gaya magnet tolakan adalah konduktor energi kinetik antara kedua tangan, memungkinkan energi kinetik untuk secara bebas mentransfer langsung. Kita bisa menyebut fenomena ini radiasi magnetik.

Jika kita memegang elektron di tangan kita alih-alih magnet, itu adalah radiasi elektrostatik, salah tafsir radiasi elektromagnetik oleh para ilmuwan.

Arah arus bolak-balik selalu tegak lurus ke permukaan antena, dan merambat di udara sebagai gelombang longitudinal.