Quando se trata deantenasA questão que mais preocupa as pessoas é: "Como a radiação é efetivamente produzida?". Como o campo eletromagnético gerado pela fonte de sinal se propaga pela linha de transmissão e dentro da antena, e finalmente se "separa" da antena para formar uma onda no espaço livre?
1. Radiação de fio único
Vamos assumir que a densidade de carga, expressa como qv (Coulomb/m3), está uniformemente distribuída em um fio circular com uma área de seção transversal a e um volume de V, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1
A carga total Q no volume V move-se na direção z a uma velocidade uniforme Vz (m/s). Pode-se provar que a densidade de corrente Jz na seção transversal do fio é:
Jz = qv vz (1)
Se o fio for feito de um condutor ideal, a densidade de corrente Js na superfície do fio será:
Js = qs vz (2)
Onde qs é a densidade de carga superficial. Se o fio for muito fino (idealmente, o raio é 0), a corrente no fio pode ser expressa como:
Iz = ql vz (3)
Onde ql (coulomb/metro) é a carga por unidade de comprimento.
Estamos principalmente interessados em fios finos, e as conclusões se aplicam aos três casos acima. Se a corrente varia com o tempo, a derivada da fórmula (3) em relação ao tempo é a seguinte:
(4)
az é a aceleração da carga. Se o comprimento do fio for l, (4) pode ser escrito da seguinte forma:
(5)
A equação (5) representa a relação básica entre corrente e carga, e também a relação básica da radiação eletromagnética. Simplificando, para produzir radiação, deve haver uma corrente variável no tempo ou aceleração (ou desaceleração) da carga. Normalmente, mencionamos corrente em aplicações harmônicas no tempo, e carga é mais frequentemente mencionada em aplicações transitórias. Para produzir aceleração (ou desaceleração) da carga, o fio deve ser dobrado, curvado e descontínuo. Quando a carga oscila em movimento harmônico no tempo, ela também produzirá aceleração (ou desaceleração) periódica da carga ou corrente variável no tempo. Portanto:
1) Se a carga não se mover, não haverá corrente nem radiação.
2) Se a carga se move a uma velocidade constante:
a. Se o fio for reto e de comprimento infinito, não haverá radiação.
b. Se o fio estiver dobrado, torcido ou descontínuo, como mostrado na Figura 2, haverá radiação.
3) Se a carga oscilar ao longo do tempo, ela irradiará mesmo que o fio esteja reto.
Figura 2
Uma compreensão qualitativa do mecanismo de radiação pode ser obtida observando-se uma fonte pulsada conectada a um fio aberto que pode ser aterrado por meio de uma carga em sua extremidade aberta, como mostrado na Figura 2(d). Quando o fio é energizado inicialmente, as cargas (elétrons livres) no fio são colocadas em movimento pelas linhas de campo elétrico geradas pela fonte. À medida que as cargas são aceleradas na extremidade do fio conectada à fonte e desaceleradas (aceleração negativa em relação ao movimento original) ao serem refletidas na outra extremidade, um campo de radiação é gerado em suas extremidades e ao longo do restante do fio. A aceleração das cargas é realizada por uma fonte externa de força que coloca as cargas em movimento e produz o campo de radiação associado. A desaceleração das cargas nas extremidades do fio é realizada por forças internas associadas ao campo induzido, que é causado pelo acúmulo de cargas concentradas nas extremidades do fio. As forças internas ganham energia com o acúmulo de carga à medida que sua velocidade diminui a zero nas extremidades do fio. Portanto, a aceleração das cargas devido à excitação do campo elétrico e a desaceleração das cargas devido à descontinuidade ou curva suave da impedância do fio são os mecanismos de geração da radiação eletromagnética. Embora tanto a densidade de corrente (Jc) quanto a densidade de carga (qv) sejam termos de fonte nas equações de Maxwell, a carga é considerada uma grandeza mais fundamental, especialmente para campos transitórios. Embora essa explicação da radiação seja usada principalmente para estados transitórios, ela também pode ser aplicada para explicar a radiação em regime permanente.
Recomendo vários excelentesprodutos de antenafabricado porRFMISO:
RM-TCR406,4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
2. Radiação de dois fios
Conecte uma fonte de tensão a uma linha de transmissão de dois condutores conectada a uma antena, como mostrado na Figura 3(a). A aplicação de tensão à linha de dois fios gera um campo elétrico entre os condutores. As linhas do campo elétrico atuam sobre os elétrons livres (facilmente separáveis dos átomos) conectados a cada condutor e os forçam a se mover. O movimento das cargas gera corrente, que por sua vez gera um campo magnético.
Figura 3
Aceitamos que as linhas de campo elétrico começam com cargas positivas e terminam com cargas negativas. É claro que elas também podem começar com cargas positivas e terminar no infinito; ou começar no infinito e terminar com cargas negativas; ou formar laços fechados que não começam nem terminam com nenhuma carga. As linhas de campo magnético sempre formam laços fechados ao redor de condutores percorridos por corrente, porque não existem cargas magnéticas na física. Em algumas fórmulas matemáticas, cargas magnéticas e correntes magnéticas equivalentes são introduzidas para mostrar a dualidade entre soluções que envolvem fontes de energia e fontes magnéticas.
As linhas de campo elétrico traçadas entre dois condutores ajudam a mostrar a distribuição de carga. Se assumirmos que a fonte de tensão é senoidal, esperamos que o campo elétrico entre os condutores também seja senoidal, com um período igual ao da fonte. A magnitude relativa da intensidade do campo elétrico é representada pela densidade das linhas de campo elétrico, e as setas indicam a direção relativa (positiva ou negativa). A geração de campos elétrico e magnético variáveis no tempo entre os condutores forma uma onda eletromagnética que se propaga ao longo da linha de transmissão, como mostrado na Figura 3(a). A onda eletromagnética entra na antena com a carga e a corrente correspondente. Se removermos parte da estrutura da antena, como mostrado na Figura 3(b), uma onda no espaço livre pode ser formada "conectando" as extremidades abertas das linhas de campo elétrico (mostradas pelas linhas tracejadas). A onda no espaço livre também é periódica, mas o ponto de fase constante P0 se move para fora na velocidade da luz e percorre uma distância de λ/2 (até P1) em meio período de tempo. Próximo à antena, o ponto de fase constante P0 se move mais rápido que a velocidade da luz e se aproxima da velocidade da luz em pontos distantes da antena. A Figura 4 mostra a distribuição do campo elétrico no espaço livre da antena λ/2 em t = 0, t/8, t/4 e 3T/8.
Figura 4 Distribuição do campo elétrico no espaço livre da antena λ/2 em t = 0, t/8, t/4 e 3T/8
Não se sabe como as ondas guiadas se separam da antena e se formam para se propagarem no espaço livre. Podemos comparar as ondas guiadas e as ondas no espaço livre às ondas na água, que podem ser causadas por uma pedra atirada em uma massa de água calma ou de outras maneiras. Assim que a perturbação na água começa, ondas são geradas e começam a se propagar. Mesmo que a perturbação cesse, as ondas não param, mas continuam a se propagar. Se a perturbação persistir, novas ondas são constantemente geradas, e a propagação dessas ondas fica atrasada em relação às outras.
O mesmo se aplica às ondas eletromagnéticas geradas por perturbações elétricas. Se a perturbação elétrica inicial da fonte for de curta duração, as ondas eletromagnéticas geradas propagam-se dentro da linha de transmissão, entram na antena e, finalmente, irradiam como ondas no espaço livre, mesmo que a excitação já não esteja presente (tal como as ondas na água e a perturbação que elas criam). Se a perturbação elétrica for contínua, as ondas eletromagnéticas existem continuamente e seguem-na de perto durante a propagação, como mostrado na antena bicônica da Figura 5. Quando as ondas eletromagnéticas estão dentro de linhas de transmissão e antenas, a sua existência está relacionada com a existência de carga elétrica no condutor. No entanto, quando as ondas são irradiadas, formam um circuito fechado e não há carga para manter a sua existência. Isto leva-nos à conclusão de que:
A excitação do campo requer aceleração e desaceleração da carga, mas a manutenção do campo não requer aceleração e desaceleração da carga.
Figura 5
3. Radiação Dipolar
Tentamos explicar o mecanismo pelo qual as linhas de campo elétrico se desprendem da antena e formam ondas no espaço livre, usando a antena dipolo como exemplo. Embora seja uma explicação simplificada, ela permite visualizar intuitivamente a geração de ondas no espaço livre. A Figura 6(a) mostra as linhas de campo elétrico geradas entre os dois braços do dipolo quando as linhas de campo elétrico se movem para fora por λ/4 no primeiro quarto do ciclo. Para este exemplo, vamos assumir que o número de linhas de campo elétrico formadas é 3. No quarto seguinte do ciclo, as três linhas de campo elétrico originais movem-se mais λ/4 (um total de λ/2 a partir do ponto inicial), e a densidade de carga no condutor começa a diminuir. Isso pode ser considerado como resultado da introdução de cargas opostas, que cancelam as cargas no condutor ao final da primeira metade do ciclo. As linhas de campo elétrico geradas pelas cargas opostas são 3 e movem-se uma distância de λ/4, o que é representado pelas linhas tracejadas na Figura 6(b).
O resultado final é que existem três linhas de campo elétrico descendentes na primeira distância λ/4 e o mesmo número de linhas de campo elétrico ascendentes na segunda distância λ/4. Como não há carga líquida na antena, as linhas de campo elétrico devem ser forçadas a se separar do condutor e se recombinar para formar um circuito fechado. Isso é mostrado na Figura 6(c). Na segunda metade, o mesmo processo físico ocorre, mas observe que a direção é oposta. Depois disso, o processo se repete e continua indefinidamente, formando uma distribuição de campo elétrico semelhante à da Figura 4.
Figura 6
Para saber mais sobre antenas, visite:
Data da publicação: 20 de junho de 2024
