Quand il s'agit deantennesLa question qui préoccupe le plus les gens est : « Comment le rayonnement est-il réellement produit ? » Comment le champ électromagnétique généré par la source du 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 en espace libre.
1. Rayonnement à fil unique
Supposons que la densité de charge, exprimée en qv (Coulomb/m3), soit uniformément répartie 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 démontrer 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 surfacique. Si le fil est très fin (idéalement, avec un rayon nul), le courant dans le fil peut s'exprimer ainsi :
Iz = ql vz (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 précédents. 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 ainsi :
（5）
L'équation (5) décrit la relation fondamentale entre courant et charge, ainsi que la relation fondamentale du rayonnement électromagnétique. En termes simples, pour produire un rayonnement, il faut un courant variable dans le temps, ou une accélération (ou une décélération) de la charge. On parle généralement de courant dans les applications harmoniques temporelles, et de charge dans les applications transitoires. Pour produire une accélération (ou une décélération) de la charge, le fil doit être courbé, plié et discontinu. Lorsque la charge oscille en mouvement harmonique temporel, elle produit également une accélération (ou une décélération) de charge périodique, ou un courant variable dans le temps. Par conséquent :
1) Si la charge ne bouge pas, il n’y aura pas de courant et pas de rayonnement.
2) Si la charge se déplace à vitesse constante :
a. Si le fil est droit et de longueur infinie, il n’y a pas de rayonnement.
b. Si le fil est plié, replié ou discontinu, comme illustré à la figure 2, il y a rayonnement.
3) Si la charge oscille au fil du temps, la charge rayonnera même si le fil est droit.
Figure 2
Une compréhension qualitative du mécanisme de rayonnement peut être obtenue en observant une source pulsée connectée à un fil ouvert pouvant être mis à la terre par une charge à son extrémité ouverte, comme illustré à la figure 2(d). Lors de la mise sous tension initiale du fil, les charges (électrons libres) qu'il contient sont mises en mouvement par les lignes de champ électrique générées par la source. Lorsque les charges sont accélérées à l'extrémité source du fil et décélérées (accélération négative par rapport au mouvement initial) 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 assurée par une source de force externe qui les met en mouvement et produit le champ de rayonnement associé. La décélération des charges aux extrémités du fil est assurée par des forces internes associées au champ induit, causé par l'accumulation de charges concentrées aux extrémités du fil. Les forces internes gagnent de l'énergie grâce à l'accumulation de charges lorsque leur 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 du rayonnement électromagnétique. Bien que la densité de courant (Jc) et la densité de charge (qv) soient toutes deux 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 reliée à une antenne, comme illustré à la figure 3(a). L'application d'une tension à la ligne à deux fils génère un champ électrique entre les conducteurs. Les lignes de champ électrique agissent sur les électrons libres (facilement séparables 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 admis que les lignes de champ électrique commencent par des charges positives et se terminent par des charges négatives. Bien sûr, elles peuvent aussi commencer par des charges positives et se terminer à l'infini ; ou commencer à l'infini et se terminer par des charges négatives ; ou encore former des boucles fermées qui ne commencent ni ne se terminent par aucune charge. Les lignes de champ magnétique forment toujours des boucles fermées autour des conducteurs parcourus par un courant, car il n'existe pas de charges magnétiques en physique. Dans certaines formules mathématiques, des charges et des courants magnétiques équivalents sont introduits pour illustrer la dualité entre les solutions impliquant de l'énergie et des sources magnétiques.
Les lignes de champ électrique tracées entre deux conducteurs permettent de visualiser la répartition des charges. Si l'on suppose que la source de tension est sinusoïdale, le champ électrique entre les conducteurs devrait également être sinusoïdal, avec une période égale à celle de la source. L'intensité relative du champ électrique est représentée par la densité des lignes de champ électrique, et les flèches indiquent leur direction relative (positive ou négative). La génération de champs électriques et magnétiques variables dans le temps entre les conducteurs forme une onde électromagnétique qui se propage le long de la ligne de transmission, comme illustré à la figure 3(a). L'onde électromagnétique pénètre dans l'antenne avec la charge et le courant correspondant. En retirant une partie de la structure de l'antenne, comme illustré à 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. À proximité de l'antenne, le point de phase constante P0 se déplace plus vite que la vitesse de la lumière et s'en rapproche aux points éloignés de l'antenne. La figure 4 illustre 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 ignore comment les ondes guidées se séparent de l'antenne et finissent par se former pour se propager dans l'espace libre. On peut comparer les ondes guidées et celles de l'espace libre aux ondes marines, qui peuvent être provoquées par une pierre tombée dans une étendue d'eau calme ou par d'autres causes. Dès que la perturbation de l'eau commence, des ondes marines se forment et commencent à se propager vers l'extérieur. Même si la perturbation cesse, les ondes continuent de se propager vers l'avant. Si la perturbation persiste, de nouvelles ondes sont constamment générées, et leur propagation est retardée par rapport aux autres ondes.
Il en va de même pour les ondes électromagnétiques générées par des perturbations électriques. Si la perturbation électrique initiale provenant 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 finalement rayonnent sous forme d'ondes en espace libre, même si l'excitation n'est plus présente (tout comme les ondes d'eau et la perturbation qu'elles ont créée). Si la perturbation électrique est continue, les ondes électromagnétiques existent en permanence et les suivent de près pendant leur propagation, comme le montre l'antenne biconique de la figure 5. Lorsque les ondes électromagnétiques sont à l'intérieur des lignes de transmission et des antennes, leur existence est liée à la présence d'une charge électrique à l'intérieur du conducteur. En revanche, lorsqu'elles rayonnent, elles forment une boucle fermée et aucune charge ne les maintient. 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 tentons 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 l'antenne dipôle comme exemple. Bien qu'il s'agisse d'une explication simplifiée, elle permet également de visualiser 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. Au cours du quart suivant du cycle, les trois lignes de champ électriques d'origine se déplacent encore de λ∕4 (soit un total de λ∕2 par rapport au point de départ), et la densité de charge sur le conducteur commence à diminuer. On peut considérer qu'elle est formée 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 au nombre de 3 et se déplacent sur une distance de λ∕4, qui est représentée par les lignes pointillées de la figure 6(b).
Le résultat final est qu'il y a trois lignes de champ électrique descendantes sur la première distance λ∕4 et le même nombre de lignes de champ électrique ascendantes sur la seconde distance λ∕4. Comme l'antenne est dépourvue de charge nette, 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 se reproduit, mais la direction est opposée. Ensuite, le processus se répète indéfiniment, formant une distribution de champ électrique similaire à celle de la figure 4.
Figure 6
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Date de publication : 20 juin 2024
