となると、アンテナ、人々が最も懸念している質問は、「放射線は実際にどのように達成されるのか？」ということです。信号源によって生成された電磁場は、伝送線路とアンテナ内をどのように伝播し、最終的にアンテナから「分離」して自由空間波を形成します。
1. 単線放射
図 1 に示すように、qv (クーロン/m3) で表される電荷密度が、断面積 a、体積 V の円形ワイヤ内に均一に分布していると仮定します。
図1
体積 V 内の総電荷 Q は、z 方向に一定の速度 Vz (m/s) で移動します。ワイヤの断面の電流密度 Jz は次のとおりであることが証明できます。
Jz = qv vz （1）
ワイヤが理想的な導体で作られている場合、ワイヤ表面の電流密度 Js は次のようになります。
Js = qs vz （2）
ここで、qs は表面電荷密度です。ワイヤが非常に細い場合 (理想的には半径 0)、ワイヤ内の電流は次のように表すことができます。
Iz = ql vz (3)
ここで、ql (クーロン/メートル) は単位長さあたりの電荷です。
私たちは主に細いワイヤに関心を持っており、結論は上記の 3 つのケースに当てはまります。電流が時間変化する場合、時間に関する式 (3) の導関数は次のようになります。
（4）
az は充電加速度です。ワイヤの長さを l とすると、(4) は次のように記述できます。
（5）
式 (5) は、電流と電荷の基本的な関係であり、電磁放射の基本的な関係でもあります。簡単に言えば、放射線を生成するには、時間とともに変化する電流または電荷の加速 (または減速) が必要です。通常、時間調和アプリケーションでは電流について言及し、過渡アプリケーションでは電荷について言及することが最も多いです。電荷の加速（または減速）を生み出すには、ワイヤを曲げ、折り曲げ、不連続にする必要があります。電荷が時間調和運動で振動すると、周期的な電荷の加速 (または減速) または時間変化する電流も生成されます。したがって：
1) 電荷が移動しない場合、電流も放射線も存在しません。
2) 電荷が一定の速度で移動する場合:
ａ．ワイヤーが真っ直ぐで長さが無限であれば、放射線は発生しません。
b.図 2 に示すように、ワイヤが曲がったり、折り畳まれたり、不連続になったりすると、放射線が発生します。
3) 時間の経過とともに電荷が振動すると、ワイヤーが真っ直ぐであっても電荷は放射します。
図2
放射メカニズムの定性的な理解は、図 2(d) に示すように、開放端で負荷を介して接地できる開放ワイヤに接続されたパルス発生源を観察することで得られます。ワイヤに最初に通電すると、ワイヤ内の電荷 (自由電子) が、電源によって生成された電力線によって動き始めます。電荷がワイヤのソース端で加速され、その端で反射されるときに減速されると（元の動きに対して負の加速）、その端とワイヤの残りの部分に沿って放射場が生成されます。電荷の加速は、電荷を動かし、関連する放射線場を生成する外部の力源によって実現されます。ワイヤの端での電荷の減速は、ワイヤの端での集中した電荷の蓄積によって引き起こされる、誘導磁場に関連する内部力によって達成されます。ワイヤの端で電荷の速度がゼロに減少すると、内部力は電荷の蓄積からエネルギーを獲得します。したがって、電界励起による電荷の加速と、ワイヤインピーダンスの不連続性または滑らかな曲線による電荷の減速が、電磁放射の発生メカニズムとなります。電流密度 (Jc) と電荷密度 (qv) はどちらもマクスウェル方程式のソース項ですが、特に過渡磁場では、電荷はより基本的な量であると考えられます。この放射線の説明は主に過渡状態に使用されますが、定常状態の放射線の説明にも使用できます。
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4（0.8～2GHz）
RM-SWA910-22(9～10GHz)
2. 2線式放射
図 3(a) に示すように、アンテナに接続された 2 導体伝送線路に電圧源を接続します。2 線式ラインに電圧を印加すると、導体間に電界が発生します。電力線は、各導体に接続された自由電子 (原子から容易に分離される) に作用し、それらを強制的に移動させます。電荷の移動により電流が発生し、磁場が発生します。
図3
私たちは、電力線が正の電荷で始まり、負の電荷で終わることを受け入れました。もちろん、正の電荷で始まり無限大で終わることもできます。または、無限大で始まり、負の電荷で終わります。または、料金で開始も終了もしない閉ループを形成します。物理学には磁荷がないため、磁力線は常に電流が流れる導体の周囲に閉ループを形成します。いくつかの数式では、電力と磁気源を含む解決策の間の二重性を示すために、等価な磁荷と磁流が導入されています。
2 つの導体間に引かれた電力線は、電荷の分布を示すのに役立ちます。電圧源が正弦波であると仮定すると、導体間の電界も電源の周期と等しい周期を持つ正弦波であることが予想されます。電界強度の相対的な大きさは電界線の密度によって表され、矢印は相対的な方向 (正または負) を示します。図 3(a) に示すように、導体間に時間とともに変化する電界と磁界が発生すると、伝送線に沿って伝播する電磁波が形成されます。電磁波は電荷とそれに対応する電流とともにアンテナに入ります。図 3(b) に示すように、アンテナ構造の一部を除去すると、電界線 (点線で示す) の開放端を「接続」することによって自由空間波を形成できます。自由空間波も周期的ですが、定位相点 P0 は光の速度で外側に移動し、半周期で λ/2 (P1 まで) の距離を進みます。定位相点 P0 は、アンテナに近いところでは光速より速く移動し、アンテナから遠い点では光速に近づきます。図 4 は、t = 0、t/8、t/4、および 3T/8 における λ/2 アンテナの自由空間電界分布を示しています。
図 4 t = 0、t/8、t/4、3T/8 における λ∕2 アンテナの自由空間電場分布
誘導波がどのようにしてアンテナから分離され、最終的に形成されて自由空間を伝播するのかは不明です。誘導宇宙波と自由宇宙波を、穏やかな水域に落とされた石などによって引き起こされる水波にたとえることができます。水中での乱れが始まると、水波が発生し、外側に伝播し始めます。たとえ擾乱が止まっても、波は止まることなく前方に伝播し続けます。妨害が続くと、常に新しい波が発生し、その波の伝播は他の波よりも遅れます。
電気的擾乱によって発生する電磁波についても同様です。発生源からの最初の電気的妨害が短期間である場合、生成された電磁波は伝送線路内を伝播し、次にアンテナに入り、たとえ励起が存在しなくなったとしても（水の波と同じように）最終的には自由空間波として放射されます。そして彼らが引き起こした混乱）。電気的妨害が連続的である場合、図 5 に示すバイコニカル アンテナに示すように、電磁波は継続的に存在し、伝播中に電磁波のすぐ後ろを追いかけます。 電磁波が伝送線路やアンテナ内に存在する場合、その存在は電気的妨害の存在と関係があります。導体内部で充電します。ただし、波が放射されると閉ループを形成し、その存在を維持するための電荷は発生しません。これにより、次のような結論が得られます。
場の励起には電荷の加速と減速が必要ですが、場の維持には電荷の加速と減速は必要ありません。
図5
3. 双極子放射
ダイポールアンテナを例として、電力線がアンテナから離れて自由空間波を形成するメカニズムを説明しようとします。簡略化した説明ではありますが、自由空間波の発生を直感的に見ることもできます。図 6(a) は、サイクルの最初の 4 分の 1 で電力線が λ/4 だけ外側に移動したときに、双極子の 2 つのアームの間に生成される電力線を示しています。この例では、形成される電力線の数が 3 であると仮定します。サイクルの次の 4 分の 1 では、元の 3 本の電力線はさらに λ/4 (開始点から合計 λ/2) 移動します。そして導体の電荷密度は減少し始めます。これは、サイクルの前半の終わりに導体上の電荷を打ち消す、逆の電荷の導入によって形成されると考えることができます。反対の電荷によって生成される電力線は 3 本で、距離 λ/4 を移動します。これは、図 6(b) の点線で表されます。
最終的な結果は、最初の λ/4 距離には 3 本の下向き電力線が存在し、2 番目の λ/4 距離には同数の上向き電力線が存在することになります。アンテナには正味の電荷がないため、電界線は強制的に導体から分離され、結合して閉ループを形成する必要があります。これを図 6(c) に示します。後半でも同じ物理プロセスが続きますが、方向が逆であることに注意してください。その後、このプロセスが繰り返されて無限に続き、図 4 と同様の電界分布が形成されます。
図6
アンテナの詳細については、次のサイトをご覧ください。
投稿日時: 2024 年 6 月 20 日
