Μεταφορά και ακτινοβολία ΗΜ ενέργειας
13
Σε αυτό το θέμα θα εξετάσουμε όσο πιο απλά γίνεται την μεταφορά της ΗΜ ενέργειας μέσω της γραμμής μεταφοράς από την έξοδο του πομπού μέχρι την κεραία και την μετέπειτα ακτινοβολία της στο ελεύθερο χώρο.
Λόγω του ότι το θέμα θα εξεταστεί από ενεργειακή σκοπιά, είναι σημαντικό να γίνει μια διευκρίνηση σχετικά. Αυτή είναι ότι: «καθαρός» ηλεκτρισμός είναι μόνο ο στατικός ηλεκτρισμός, όπου έχουμε κάποια ηλεκτρικά φορτία (πχ φορτισμένα σωματίδια) ακίνητα σε κάποιο χώρο τα οποία δημιουργούν και το ανάλογο ηλεκτρικό πεδίο γύρω τους σύμφωνα με το νόμο του Gauss για το ηλεκτρικό πεδίο. Από τη στιγμή που κάποιο ηλεκτρικό φορτίο κινηθεί, τότε δημιουργεί αυτόματα γύρω του και μαγνητικό πεδίο σύμφωνα με το νόμο των Biot - Savart, δηλαδή περνάει αμέσως στον ηλεκτρομαγνητισμό (ΗΜ).
https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%9D...B2%CE%AC%CF%81
Δλδ δεν υπάρχει στην πραγματικότητα «καθαρά τρεχούμενος» ηλεκτρισμός χωρίς την παρουσία μαγνητισμού γύρω του. Εάν τα ηλεκτρικά φορτία κατά την κίνησή τους κινούνται με σταθερή ταχύτητα (πχ συνεχές ρεύμα), τότε δημιουργούν μεν ΗΜ πεδία γύρω τους αλλά ΔΕΝ ακτινοβολούν γιατί τα ΗΜ πεδία τους είναι στατικά. Εάν όμως επιταχύνονται ή επιβραδύνονται (πχ εναλλασσόμενο ρεύμα), τότε δημιουργούν γύρω τους χρονικά μεταβαλλόμενα ΗΜ πεδία τα οποία (υπό προϋποθέσεις) ακτινοβολούν ΗΜ κύματα, όπως απέδειξε με την πρώτη ενοποίηση θεωριών, του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού ο Maxwell. Ότι συμβαίνει από την έξοδο του πομπού και μετά, αναλύεται και υπακούει πλήρως στις εξισώσεις αυτές.
https://physicsgg.me/2011/04/17/%CE%...CF%82-maxwell/
Ο πομπός στην έξοδο του βγάζει ΗΜ ενέργεια η οποία περιέχει και την διαμόρφωση του σήματος, δλδ την πληροφορία που θέλουμε να αποστείλουμε ασύρματα.
Αυτή η ΗΜ ενέργεια μεταφέρεται με τη μορφή ΗΜ κύματος μέσω των γραμμών μεταφοράς και είναι γνωστή στους ραδιοερασιτέχνες σαν RF (Radio Frequency = Ραδιοσυχνότητα).
Ένα ΗΜ κύμα αποτελείται από δύο πεδία, το ηλεκτρικό (E) και το μαγνητικό (B ή H), τα οποία βρίσκονται σε σύζευξη μεταξύ τους.
e-m wave 3d.jpg
Γραμμές μεταφοράς.
Όλες οι γραμμές μεταφοράς στην ουσία είναι κυματοδηγοί. Οδηγούν δλδ τα ΗΜ κύματα από την έξοδο του πομπού στην κεραία. Η μεταφορά των ΗΜ κυμάτων γίνεται μέσω κάποιων ρυθμών κυματοδήγησης (Electromagnetic modes), δλδ κάποιοι τρόποι (μοτίβα) μεταφοράς των ΗΜ κυμάτων.
Περισσότερα για τους ρυθμούς κυματοδήγησης στα link που ακολουθούν.
https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A1...83%CE%B7%CF%82
https://en.wikipedia.org/wiki/Mode_(electromagnetism)
https://en.wikipedia.org/wiki/Transverse_mode
Συγκεκριμένα, στα ομοαξονικά καλώδια και στις ανοιχτές γραμμές που ενδιαφέρουν τους ραδιοερασιτέχνες, ο ρυθμός κυματοδήγησης είναι TEM (Transverse ElectroMagnetic). Αυτό σημαίνει ότι σε αυτόν τον ρυθμό κυματοδήγησης τα διανύσματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου ταλαντώνονται κάθετα μεταξύ τους καθώς και κάθετα επίσης ως προς την κατεύθυνση της διάδοσης του κύματος (transverse = εγκάρσια, κάθετα).
Poynting vector inside the dielectric of a coaxial cable.jpg
Εδώ κάνουμε μια παρένθεση λέγοντας ότι η ΗΜ ενέργεια μεταφέρεται στο ομοαξονικό καλώδιο μέσω του διηλεκτρικού του καλωδίου όπως μας δείχνει και η εφαρμογή του διανύσματος Poynting (πράσινα βέλη Sz με τη μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα στην επιφάνεια του πυρήνα του ομοαξονικού καλωδίου) μέσα στο καλώδιο στο παραπάνω σχήμα. Γι’ αυτό και εδώ παίζει σημαντικό ρόλο η ποιότητα του διηλεκτρικού καθώς από αυτό εξαρτάται άμεσα ο συντελεστής βραχύτητας του καλωδίου (Velocity Factor, όσο πιο υψηλός είναι τόσο λιγότερες και οι απώλειες κατά την μεταφορά μέσα στο καλώδιο), όπως επίσης και η θωράκιση του διηλεκτρικού. Στα ομοαξονικά κυμαίνεται από 0,66 ως 0,88.
https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity_factor
Στην ανοικτή γραμμή ως διηλεκτρικό λαμβάνονται η μόνωση των καλωδίων και ο αέρας της ατμόσφαιρας, γι’ αυτό και έχει πολύ υψηλό συντελεστή βραχύτητας που μπορεί να φτάσει και το 99%, με την βασική προϋπόθεση να βρίσκεται μακριά από μεταλλικά αντικείμενα λόγω μη θωράκισής της κλπ.
Κεραίες.
Οι κεραίες είναι κατάλληλες διατάξεις οι οποίες πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές και υπό προϋποθέσεις επιτρέπουν στην ΗΜ ενέργεια με την οποία τροφοδοτούνται να εκπεμφθεί σαν ΗΜ ακτινοβολία στον ελεύθερο χώρο.
Μηχανισμός ακτινοβολίας.
Όταν μια κεραία εκπέμπει τότε δημιουργούνται γύρω της 3 περιοχές (ζώνες) οι οποίες έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, γι’ αυτό και ξεχωρίζουν μεταξύ τους.
Far and Near Fields of antennas.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field
Η πρώτη περιοχή πλησίον της κεραίας (κοντινή περιοχή) είναι η ζώνη αντίδρασης της κεραίας. Στην περιοχή αυτή δημιουργείται ένα χρονικά μεταβαλλόμενο ΗΜ πεδίο το οποίο όμως δεν εμφανίζει χαρακτηριστικά ακτινοβολίας, δλδ ταλαντώνεται μέσα σε αυτό τον χώρο αλλά δεν εκπέμπεται. Αυτό συμβαίνει γιατί τα διανύσματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου έχουν διαφορά φάσης 90 μοιρών μεταξύ τους.
Στην δεύτερη περιοχή έχουμε τη ζώνη μετάβασης (γνωστή και σαν ζώνη Fresnel) όπου αρχίζει να μειώνεται σταδιακά η διαφορά φάσης μεταξύ των διανυσμάτων των E και B καθώς απομακρυνόμαστε από την κεραία και εμφανίζονται κάποια χαρακτηριστικά ακτινοβολίας.
Στην τρίτη περιοχή (γνωστή και σαν μακρινή περιοχή ή ζώνη Fraunhofer) έχουμε τη ζώνη ακτινοβολίας όπου πλέον η διαφορά φάσης των διανυσμάτων έχει μηδενιστεί με αποτέλεσμα τα ΗΜ κύματα να μπορούν να αποκολληθούν και να ακτινοβοληθούν στον ελεύθερο χώρο αυτοσυντηρούμενα, δλδ χωρίς να χρειάζονται το αρχικό φορτίο (J) της πηγής (πομπός).
Στο μακρινό πεδίο της κεραίας τα ΗΜ κύματα είναι πλέον επίπεδα (plane waves), δλδ σε TEM ρυθμό.
Εξισώσεις Maxwell στην κεραία.jpg
https://opencourses.uoa.gr/courses/DI123/
Είναι αυτονόητο ότι υπάρχουν αλληλοεπικαλύψεις ανάμεσα στις περιοχές και οι αποστάσεις των περιοχών από την κεραία είναι κατά προσέγγιση σχετικές και εξαρτώνται από το μήκος κύματος εκπομπής και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της κεραίας (κυρίως το μήκος της), όπως φαίνεται και στους μαθηματικούς τύπους του σχεδιαγράμματος των περιοχών της κεραίας.
Στις υπερυψηλές συχνότητες (αρκετών GHz) πχ, η ζώνη μετάβασης (Fresnel) είναι τόσο πολύ μικρή που πρακτικά είναι ενσωματωμένη στη ζώνη αντίδρασης.
Συντονισμός κεραίας.
Στην περίπτωση συντονισμένης κεραίας, όλη η ΗΜ ενέργεια που τροφοδοτεί την κεραία ακτινοβολείται με εξαίρεση βέβαια ένα πολύ μικρό ποσό που μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω του φαινομένου Joule επάνω στην κεραία (αντίσταση απωλειών).
Στην περίπτωση που η κεραία δεν είναι συντονισμένη τότε εμφανίζεται αντίδραση επάνω της, η οποία αντίδραση έχει είτε επαγωγική μορφή, είτε χωρητική μορφή. Ένα ποσό της ΗΜ ενέργειας (εξαρτάται από το πόσο μεγάλη είναι η αντίδραση επάνω στην κεραία) παγιδεύεται δίπλα στην κεραία και δεν ακτινοβολείται (άεργη ισχύς). Έχουμε δλδ ένα στάσιμο ΗΜ κύμα το οποίο ταλαντώνεται μέσα σε κάποιο συγκεκριμένο χώρο δίπλα από την κεραία αλλά δεν μπορεί να αποκολληθεί από τη ζώνη μετάβασης γιατί η διαφορά φάσης μεταξύ των διανυσμάτων του E και B δεν μειώνεται σταδιακά.
Πεδία κεραίας.jpg
https://opencourses.uoa.gr/courses/DI123/
Αυτή η αντίδραση με τη σειρά της αλλάζει την σύνθετη αντίσταση (Z) της κεραίας στο σημείο τροφοδοσίας της με αποτέλεσμα να χαλάει η προσαρμογή της κεραίας στη γραμμή μεταφοράς και να ανεβαίνουν τα στάσιμα κύματα (SWR). Εκτός αυτού, η άεργη ισχύς που παγιδεύεται δίπλα στην κεραία δεν μπορεί να παραμένει εκεί για πάντα και πρέπει να πάει κάπου να καταναλωθεί. Εφόσον δεν μπορεί να ακτινοβοληθεί λοιπόν, γυρίζει πίσω από τον μοναδικό δρόμο που υπάρχει δλδ την γραμμή μεταφοράς. Αυτή τη φορά όμως δεν κάνει τον κόπο να γυρίσει μέσω του διηλεκτρικού, αλλά διαρρέει κατευθείαν επάνω στην εξωτερική πλευρά της γραμμής μεταφοράς ψάχνοντας διέξοδο προς τη Γη. Φαινόμενο που είναι γνωστό στους ραδιοερασιτέχνες ως ρεύμα I3 (στο παρακάτω σχήμα) ή πιο απλά σαν "επιστροφή της RF στο shack".
Common mode currents on coaxial cable.jpg
Συμπεράσματα:
Συντονισμός κεραίας είναι η εξουδετέρωση της αντίδρασης (επαγωγικής ή χωρητικής) που εμφανίζεται επάνω στην κεραία, ώστε να μηδενιστούν οι απώλειες λόγω διαρροών (σταμάτημα της επιστροφής της RF στο shack) και να μεγιστοποιηθεί ο βαθμός απόδοσης της κεραίας.
Δεν είναι δυνατόν να υπάρξει ΗΜ ακτινοβολία όταν τα διανύσματα των πεδίων E και B δεν είναι συμφασικά, δλδ παίρνουν την μέγιστη και την ελάχιστη τιμή ταυτόχρονα αναγεννώντας και συντηρώντας το ένα το άλλο κάθε χρονική στιγμή.
Ο φορέας των ΗΜ κυμάτων είναι τα φωτόνια. Όταν εκπέμπονται σε χαμηλές, μεσαίες και υψηλές συχνότητες συμπεριφέρονται σαν κύματα, ενώ όταν εκπέμπονται σε υπερυψηλές συχνότητες συμπεριφέρονται σαν σωματίδια (μικροκύματα, φως).
Ακόμη και τα ίδια τα ΗΜ κύματα κατά τη διάδοσή τους στο κενό εμφανίζουν αυτοεμπέδηση Z0 = 377 Ω περίπου (120π για την ακρίβεια).
Απάντηση με παράθεση
Αρχικό μήνυμα από matthew
