Quand il s'agit deantennes, la question qui préoccupe le plus les gens est « Comment les radiations sont-elles réellement obtenues ? » Comment le champ électromagnétique généré par la source de signal se propage-t-il à travers la ligne de transmission et à l'intérieur de l'antenne, et finalement « se sépare » de l'antenne pour former une onde spatiale libre.
1. Rayonnement à fil unique
Supposons que la densité de charge, exprimée en qv (Coulomb/m3), soit uniformément distribuée dans un fil circulaire avec une section transversale de a et un volume de V, comme le montre la figure 1.
Figure 1
La charge totale Q dans le volume V se déplace dans la direction z à une vitesse uniforme Vz (m/s). On peut prouver que la densité de courant Jz sur la section du fil est :
Jz = qv vz （1）
Si le fil est constitué d’un conducteur idéal, la densité de courant Js à la surface du fil est :
Js = qs vz （2）
Où qs est la densité de charge de surface. Si le fil est très fin (idéalement, le rayon est 0), le courant dans le fil peut être exprimé comme suit :
Iz = qlvz (3)
Où ql (coulomb/mètre) est la charge par unité de longueur.
Nous nous intéressons principalement aux fils fins et les conclusions s'appliquent aux trois cas ci-dessus. Si le courant varie dans le temps, la dérivée de la formule (3) par rapport au temps est la suivante :
（4）
az est l'accélération de la charge. Si la longueur du fil est l, (4) peut s'écrire comme suit :
（5）
L'équation (5) représente la relation fondamentale entre le courant et la charge, ainsi que la relation fondamentale du rayonnement électromagnétique. En termes simples, pour produire un rayonnement, il doit y avoir un courant ou une accélération (ou décélération) de charge variant dans le temps. Nous mentionnons généralement le courant dans les applications harmoniques temporelles, et la charge est le plus souvent mentionnée dans les applications transitoires. Afin de produire une accélération (ou une décélération) de charge, le fil doit être plié, plié et discontinu. Lorsque la charge oscille selon un mouvement harmonique temporel, elle produira également une accélération (ou une décélération) de charge périodique ou un courant variable dans le temps. Donc:
1) Si la charge ne bouge pas, il n’y aura ni courant ni rayonnement.
2) Si la charge se déplace à vitesse constante :
un. Si le fil est droit et de longueur infinie, il n’y a pas de rayonnement.
b. Si le fil est plié, plié ou discontinu, comme le montre la figure 2, il y a un rayonnement.
3) Si la charge oscille avec le temps, la charge rayonnera même si le fil est droit.
Figure 2
Une compréhension qualitative du mécanisme de rayonnement peut être obtenue en examinant une source pulsée connectée à un fil ouvert qui peut être mis à la terre via une charge à son extrémité ouverte, comme le montre la figure 2 (d). Lorsque le fil est initialement alimenté, les charges (électrons libres) du fil sont mises en mouvement par les lignes de champ électrique générées par la source. Comme les charges sont accélérées à l’extrémité source du fil et décélérées (accélération négative par rapport au mouvement d’origine) lorsqu’elles sont réfléchies à son extrémité, un champ de rayonnement est généré à ses extrémités et le long du reste du fil. L'accélération des charges est réalisée par une source de force externe qui met les charges en mouvement et produit le champ de rayonnement associé. La décélération des charges aux extrémités du fil est réalisée par des forces internes associées au champ induit, provoquées par l'accumulation de charges concentrées aux extrémités du fil. Les forces internes gagnent de l’énergie grâce à l’accumulation de charge à mesure que sa vitesse diminue jusqu’à zéro aux extrémités du fil. Par conséquent, l’accélération des charges due à l’excitation du champ électrique et la décélération des charges due à la discontinuité ou à la courbe lisse de l’impédance du fil sont les mécanismes de génération de rayonnement électromagnétique. Bien que la densité de courant (Jc) et la densité de charge (qv) soient des termes sources dans les équations de Maxwell, la charge est considérée comme une quantité plus fondamentale, en particulier pour les champs transitoires. Bien que cette explication du rayonnement soit principalement utilisée pour les états transitoires, elle peut également être utilisée pour expliquer le rayonnement en régime permanent.
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2. Rayonnement à deux fils
Connectez une source de tension à une ligne de transmission à deux conducteurs connectée à une antenne, comme indiqué sur la figure 3 (a). L'application d'une tension à la ligne bifilaire génère un champ électrique entre les conducteurs. Les lignes de champ électrique agissent sur les électrons libres (facilement séparés des atomes) connectés à chaque conducteur et les forcent à se déplacer. Le mouvement des charges génère du courant, qui à son tour génère un champ magnétique.
Figure 3
Nous avons accepté que les lignes de champ électrique commencent par des charges positives et se terminent par des charges négatives. Bien entendu, ils peuvent aussi commencer avec des charges positives et se terminer à l’infini ; ou commencer à l'infini et terminer par des charges négatives ; ou forment des boucles fermées qui ne commencent ni ne se terminent par des frais. Les lignes de champ magnétique forment toujours des boucles fermées autour des conducteurs porteurs de courant car il n’y a pas de charges magnétiques en physique. Dans certaines formules mathématiques, des charges magnétiques et des courants magnétiques équivalents sont introduits pour montrer la dualité entre les solutions impliquant l'énergie et les sources magnétiques.
Les lignes de champ électrique tracées entre deux conducteurs aident à montrer la répartition de la charge. Si l’on suppose que la source de tension est sinusoïdale, on s’attend à ce que le champ électrique entre les conducteurs soit également sinusoïdal avec une période égale à celle de la source. L'ampleur relative de l'intensité du champ électrique est représentée par la densité des lignes de champ électrique et les flèches indiquent la direction relative (positive ou négative). La génération de champs électriques et magnétiques variant dans le temps entre les conducteurs forme une onde électromagnétique qui se propage le long de la ligne de transmission, comme le montre la figure 3 (a). L'onde électromagnétique pénètre dans l'antenne avec la charge et le courant correspondant. Si nous retirons une partie de la structure de l'antenne, comme le montre la figure 3 (b), une onde en espace libre peut être formée en « connectant » les extrémités ouvertes des lignes de champ électrique (représentées par les lignes pointillées). L'onde en espace libre est également périodique, mais le point de phase constante P0 se déplace vers l'extérieur à la vitesse de la lumière et parcourt une distance de λ/2 (jusqu'à P1) en une demi-période de temps. Près de l’antenne, le point P0 à phase constante se déplace plus vite que la vitesse de la lumière et s’approche de la vitesse de la lumière en des points éloignés de l’antenne. La figure 4 montre la distribution du champ électrique en espace libre de l'antenne λ∕2 à t = 0, t/8, t/4 et 3T/8.
Figure 4 Distribution du champ électrique en espace libre de l'antenne λ∕2 à t = 0, t/8, t/4 et 3T/8
On ne sait pas comment les ondes guidées sont séparées de l’antenne et finalement formées pour se propager dans l’espace libre. Nous pouvons comparer les ondes spatiales guidées et libres aux vagues d’eau, qui peuvent être provoquées par une pierre tombée dans un plan d’eau calme ou par d’autres moyens. Une fois que la perturbation de l’eau commence, des vagues d’eau sont générées et commencent à se propager vers l’extérieur. Même si la perturbation s’arrête, les vagues ne s’arrêtent pas mais continuent de se propager. Si la perturbation persiste, de nouvelles vagues sont constamment générées et la propagation de ces vagues est en retard par rapport aux autres vagues.
Il en va de même pour les ondes électromagnétiques générées par les perturbations électriques. Si la perturbation électrique initiale de la source est de courte durée, les ondes électromagnétiques générées se propagent à l'intérieur de la ligne de transmission, puis pénètrent dans l'antenne et enfin rayonnent sous forme d'ondes spatiales libres, même si l'excitation n'est plus présente (tout comme les ondes d'eau). et les perturbations qu'ils ont créées). Si la perturbation électrique est continue, les ondes électromagnétiques existent en permanence et les suivent de près pendant la propagation, comme le montre l'antenne biconique illustrée à la figure 5. Lorsque les ondes électromagnétiques se trouvent à l'intérieur des lignes de transmission et des antennes, leur existence est liée à l'existence de courants électriques. charge à l’intérieur du conducteur. Cependant, lorsque les ondes sont rayonnées, elles forment une boucle fermée et il n’y a aucune charge pour maintenir leur existence. Ceci nous amène à la conclusion suivante :
L'excitation du champ nécessite une accélération et une décélération de la charge, mais le maintien du champ ne nécessite pas d'accélération et de décélération de la charge.
Figure 5
3. Rayonnement dipolaire
Nous essayons d'expliquer le mécanisme par lequel les lignes de champ électrique se détachent de l'antenne et forment des ondes en espace libre, en prenant comme exemple l'antenne dipôle. Bien qu’il s’agisse d’une explication simplifiée, elle permet également aux gens de voir intuitivement la génération d’ondes en espace libre. La figure 6 (a) montre les lignes de champ électrique générées entre les deux bras du dipôle lorsque les lignes de champ électrique se déplacent vers l'extérieur de λ∕4 au cours du premier quart du cycle. Pour cet exemple, supposons que le nombre de lignes de champ électrique formées soit de 3. Dans le quart suivant du cycle, les trois lignes de champ électrique d'origine se déplacent encore de λ∕4 (un total de λ∕2 depuis le point de départ), et la densité de charge sur le conducteur commence à diminuer. On peut considérer qu'il est formé par l'introduction de charges opposées, qui annulent les charges sur le conducteur à la fin de la première moitié du cycle. Les lignes de champ électrique générées par les charges opposées sont de 3 et se déplacent sur une distance de λ∕4, qui est représentée par les lignes pointillées sur la figure 6(b).
Le résultat final est qu’il y a trois lignes de champ électrique descendantes dans la première distance λ∕4 et le même nombre de lignes de champ électrique ascendantes dans la deuxième distance λ∕4. Puisqu’il n’y a pas de charge nette sur l’antenne, les lignes de champ électrique doivent être forcées de se séparer du conducteur et de se combiner pour former une boucle fermée. Ceci est illustré à la figure 6 (c). Dans la seconde moitié, le même processus physique est suivi, mais notez que la direction est opposée. Après cela, le processus est répété et se poursuit indéfiniment, formant une distribution de champ électrique similaire à celle de la figure 4.
Figure 6
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Heure de publication : 20 juin 2024
