เมื่อมันมาถึงเสาอากาศคำถามที่ผู้คนกังวลมากที่สุดก็คือ "แท้จริงแล้วการแผ่รังสีเกิดขึ้นได้อย่างไร" สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแหล่งสัญญาณแพร่กระจายผ่านสายส่งและภายในเสาอากาศได้อย่างไร และสุดท้าย "แยก" ออกจากเสาอากาศเพื่อสร้างคลื่นอวกาศได้อย่างไร
1. การแผ่รังสีแบบสายเดี่ยว
ให้เราถือว่าความหนาแน่นของประจุที่แสดงเป็น qv (คูลอมบ์/ม3) กระจายอย่างสม่ำเสมอในลวดวงกลมที่มีพื้นที่หน้าตัด a และปริมาตร V ดังที่แสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1
ประจุรวม Q ในปริมาตร V เคลื่อนที่ในทิศทาง z ด้วยความเร็วคงที่ Vz (m/s) สามารถพิสูจน์ได้ว่าความหนาแน่นกระแส Jz บนหน้าตัดของลวดมีค่าเท่ากับ
Jz = qv vz （1）
หากลวดทำจากตัวนำในอุดมคติ ความหนาแน่นกระแส Js บนพื้นผิวลวดจะเป็นดังนี้:
Js = qs vz （2）
โดยที่ qs คือความหนาแน่นประจุไฟฟ้าที่พื้นผิว หากลวดบางมาก (ตามหลักการแล้ว รัศมีควรเป็น 0) กระแสในลวดสามารถแสดงได้ดังนี้
อิซ = ql vz (3)
โดยที่ ql (คูลอมบ์/เมตร) คือประจุต่อหน่วยความยาว
เราสนใจเรื่องลวดเส้นเล็กเป็นหลัก และข้อสรุปนี้ใช้ได้กับสามกรณีข้างต้น หากกระแสไฟฟ้าแปรผันตามเวลา อนุพันธ์ของสูตร (3) เทียบกับเวลาจะเป็นดังนี้:
（4）
az คือความเร่งของประจุ ถ้าความยาวของลวดเท่ากับ l, (4) สามารถเขียนได้ดังนี้:
（5）
สมการ (5) คือความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างกระแสและประจุ และยังเป็นความสัมพันธ์พื้นฐานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า กล่าวโดยสรุป การที่จะทำให้เกิดรังสีได้นั้น จะต้องมีกระแสหรือความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุที่แปรผันตามเวลา โดยปกติเราจะกล่าวถึงกระแสในการประยุกต์ใช้ฮาร์มอนิกตามเวลา และประจุมักถูกกล่าวถึงในการประยุกต์ใช้แบบชั่วคราว เพื่อที่จะทำให้เกิดความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุ ลวดจะต้องถูกดัด พับ และไม่ต่อเนื่อง เมื่อประจุแกว่งในการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกตามเวลา มันจะทำให้เกิดความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุหรือกระแสที่แปรผันตามเวลาเป็นระยะ ดังนั้น:
1) หากประจุไม่เคลื่อนที่ ก็จะไม่มีกระแสไฟฟ้าและไม่มีการแผ่รังสี
2) หากประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่:
ก. ถ้าลวดเป็นเส้นตรงและมีความยาวไม่จำกัด จะไม่มีการแผ่รังสี
ข. หากลวดงอ พับ หรือไม่ต่อเนื่อง ดังแสดงในรูปที่ 2 แสดงว่ามีการแผ่รังสี
3) หากประจุแกว่งไปตามกาลเวลา ประจุจะแผ่รังสีแม้ว่าลวดจะตรงก็ตาม
รูปที่ 2
ความเข้าใจเชิงคุณภาพเกี่ยวกับกลไกการแผ่รังสีสามารถทำได้โดยการพิจารณาแหล่งกำเนิดพัลส์ที่เชื่อมต่อกับสายไฟเปิด ซึ่งสามารถต่อลงกราวด์ผ่านโหลดที่ปลายเปิดได้ ดังแสดงในรูปที่ 2(d) เมื่อสายไฟได้รับพลังงานในเบื้องต้น ประจุ (อิเล็กตรอนอิสระ) ในสายไฟจะถูกกำหนดให้เคลื่อนที่โดยเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดจากแหล่งกำเนิด เมื่อประจุถูกเร่งที่ปลายสายไฟต้นทาง และถูกชะลอความเร็วลง (ความเร่งติดลบเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่เดิม) เมื่อสะท้อนกลับที่ปลายสายไฟ จะเกิดสนามรังสีที่ปลายสายไฟและตลอดแนวลวดที่เหลือ ความเร่งของประจุเกิดจากแหล่งแรงภายนอกที่กระตุ้นให้ประจุเคลื่อนที่และสร้างสนามรังสีที่เกี่ยวข้อง การลดความเร็วของประจุที่ปลายสายไฟเกิดจากแรงภายในที่เกี่ยวข้องกับสนามเหนี่ยวนำ ซึ่งเกิดจากการสะสมของประจุที่เข้มข้นที่ปลายสายไฟ แรงภายในได้รับพลังงานจากการสะสมของประจุเมื่อความเร็วลดลงจนเป็นศูนย์ที่ปลายสายไฟ ดังนั้น ความเร่งของประจุเนื่องจากการกระตุ้นสนามไฟฟ้าและการลดความเร็วของประจุเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องหรือเส้นโค้งเรียบของอิมพีแดนซ์ของลวด จึงเป็นกลไกในการสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าทั้งความหนาแน่นกระแส (Jc) และความหนาแน่นประจุ (qv) จะเป็นพจน์ของแหล่งกำเนิดในสมการของแมกซ์เวลล์ แต่ประจุถือเป็นปริมาณพื้นฐานมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสนามไฟฟ้าชั่วขณะ แม้ว่าคำอธิบายการแผ่รังสีนี้จะใช้เป็นหลักสำหรับสถานะชั่วขณะ แต่ก็สามารถใช้เพื่ออธิบายการแผ่รังสีสถานะคงที่ได้เช่นกัน
ขอแนะนำหลาย ๆ อย่างที่ยอดเยี่ยมผลิตภัณฑ์เสาอากาศผลิตโดยอาร์เอฟเอ็มไอเอสโอ:
RM-ทีซีอาร์406.4
RM-บีซีเอ082-4（0.8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. การแผ่รังสีแบบสองสาย
เชื่อมต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเข้ากับสายส่งไฟฟ้าสองตัวนำที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) การจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับสายส่งไฟฟ้าสองเส้นจะก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำไฟฟ้า เส้นสนามไฟฟ้าจะกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระ (ซึ่งแยกตัวออกจากอะตอมได้ง่าย) ที่เชื่อมต่อกับตัวนำไฟฟ้าแต่ละเส้น และบังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ของประจุจะก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตามมา
รูปที่ 3
เรายอมรับแล้วว่าเส้นสนามไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยประจุบวกและลงท้ายด้วยประจุลบ แน่นอนว่าเส้นสนามไฟฟ้าอาจเริ่มต้นด้วยประจุบวกและลงท้ายด้วยอนันต์ หรือเริ่มต้นที่อนันต์และลงท้ายด้วยประจุลบ หรืออาจเกิดวงปิดที่ไม่ได้เริ่มต้นหรือสิ้นสุดด้วยประจุใดๆ ก็ตาม เส้นสนามแม่เหล็กจะเกิดวงปิดรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเสมอ เพราะในฟิสิกส์ไม่มีประจุแม่เหล็ก ในสูตรคณิตศาสตร์บางสูตร จะมีการนำประจุแม่เหล็กสมมูลและกระแสแม่เหล็กมาแสดง เพื่อแสดงถึงความเป็นคู่ระหว่างคำตอบที่เกี่ยวข้องกับกำลังไฟฟ้าและแหล่งกำเนิดแม่เหล็ก
เส้นสนามไฟฟ้าที่ลากระหว่างตัวนำสองเส้นช่วยแสดงการกระจายตัวของประจุ หากสมมติว่าแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเป็นไซน์ เราคาดว่าสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสองจะเป็นไซน์เช่นกัน โดยมีคาบเท่ากับแหล่งกำเนิด ขนาดสัมพัทธ์ของความเข้มสนามไฟฟ้าแสดงด้วยความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้า และลูกศรแสดงทิศทางสัมพัทธ์ (บวกหรือลบ) การเกิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาระหว่างตัวนำทั้งสองก่อให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปตามสายส่ง ดังแสดงในรูปที่ 3(a) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเข้าสู่เสาอากาศพร้อมกับประจุและกระแสไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน หากเราตัดส่วนหนึ่งของโครงสร้างเสาอากาศออก ดังแสดงในรูปที่ 3(b) คลื่นอวกาศว่างสามารถเกิดขึ้นได้โดยการ "เชื่อมต่อ" ปลายเปิดของเส้นสนามไฟฟ้า (แสดงด้วยเส้นประ) คลื่นอวกาศว่างก็เป็นคาบเช่นกัน แต่จุดเฟสคงที่ P0 จะเคลื่อนที่ออกด้านนอกด้วยความเร็วแสงและเดินทางเป็นระยะทาง λ/2 (ไปยัง P1) ในครึ่งช่วงเวลา ใกล้กับเสาอากาศ จุดเฟสคงที่ P0 เคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสง และเข้าใกล้ความเร็วแสง ณ จุดที่อยู่ห่างจากเสาอากาศ รูปที่ 4 แสดงการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าในอวกาศว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
รูปที่ 4 การกระจายสนามไฟฟ้าในอวกาศว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าคลื่นนำทางแยกออกจากเสาอากาศและก่อตัวขึ้นเพื่อแพร่กระจายในอวกาศได้อย่างไร เราสามารถเปรียบเทียบคลื่นนำทางและอวกาศกับคลื่นน้ำ ซึ่งอาจเกิดจากการทิ้งก้อนหินลงในแหล่งน้ำที่สงบ หรือเกิดจากสาเหตุอื่นๆ เมื่อการรบกวนในน้ำเริ่มต้นขึ้น คลื่นน้ำจะถูกสร้างขึ้นและเริ่มแพร่กระจายออกไป แม้ว่าการรบกวนจะหยุดลง คลื่นจะไม่หยุดนิ่ง แต่จะยังคงแพร่กระจายไปข้างหน้า หากการรบกวนยังคงอยู่ คลื่นใหม่จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง และการแพร่กระจายของคลื่นเหล่านี้จะล่าช้ากว่าคลื่นอื่นๆ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการรบกวนทางไฟฟ้าก็เช่นเดียวกัน หากการรบกวนทางไฟฟ้าเริ่มต้นจากแหล่งกำเนิดมีระยะเวลาสั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะแพร่กระจายภายในสายส่ง จากนั้นเข้าสู่เสาอากาศ และแผ่รังสีออกมาเป็นคลื่นอวกาศอิสระ แม้ว่าจะไม่มีการกระตุ้นแล้วก็ตาม (เช่นเดียวกับคลื่นน้ำและการรบกวนที่เกิดขึ้น) หากการรบกวนทางไฟฟ้าเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะคงอยู่อย่างต่อเนื่องและเคลื่อนที่ตามหลังคลื่นอย่างใกล้ชิดในระหว่างการแพร่คลื่น ดังแสดงในเสาอากาศรูปกรวยคู่ที่แสดงในรูปที่ 5 เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ภายในสายส่งและเสาอากาศ การมีอยู่ของคลื่นจะสัมพันธ์กับการมีประจุไฟฟ้าอยู่ภายในตัวนำ อย่างไรก็ตาม เมื่อคลื่นถูกแผ่รังสีออกมา คลื่นจะก่อตัวเป็นวงปิดและไม่มีประจุไฟฟ้าใดๆ คอยรักษาการคงอยู่ของคลื่นไว้ ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปว่า
การกระตุ้นสนามต้องอาศัยการเร่งความเร็วและการชะลอความเร็วของประจุ แต่การรักษาสนามไม่จำเป็นต้องอาศัยการเร่งความเร็วและการชะลอความเร็วของประจุ
รูปที่ 5
3. การแผ่รังสีไดโพล
เราพยายามอธิบายกลไกที่เส้นสนามไฟฟ้าแยกตัวออกจากเสาอากาศและก่อตัวเป็นคลื่นอวกาศอิสระ โดยยกตัวอย่างเสาอากาศไดโพล แม้ว่าจะเป็นคำอธิบายแบบง่าย ๆ แต่ก็ทำให้ผู้คนเข้าใจการเกิดคลื่นอวกาศอิสระได้อย่างลึกซึ้ง รูปที่ 6(a) แสดงเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างแขนทั้งสองของไดโพลเมื่อเส้นสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ออกด้านนอก λ∕4 ในไตรมาสแรกของวัฏจักร สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่าจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือ 3 ในไตรมาสถัดไปของวัฏจักร เส้นสนามไฟฟ้าเดิมสามเส้นจะเคลื่อนที่อีก λ∕4 (รวมเป็น λ∕2 จากจุดเริ่มต้น) และความหนาแน่นของประจุบนตัวนำเริ่มลดลง ซึ่งอาจถือได้ว่าเกิดจากการเติมประจุตรงข้ามเข้าไป ซึ่งจะหักล้างประจุบนตัวนำเมื่อสิ้นสุดครึ่งแรกของวัฏจักร เส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุตรงข้ามมีค่าเท่ากับ 3 และเคลื่อนที่เป็นระยะทาง λ∕4 ซึ่งแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 6(b)
ผลลัพธ์สุดท้ายคือมีเส้นสนามไฟฟ้าลงสามเส้นที่ระยะ λ∕4 เส้นแรก และมีเส้นสนามไฟฟ้าขึ้นจำนวนเท่ากันที่ระยะ λ∕4 เส้นที่สอง เนื่องจากไม่มีประจุสุทธิบนเสาอากาศ เส้นสนามไฟฟ้าจึงต้องถูกบังคับให้แยกออกจากตัวนำและรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวงปิด ดังแสดงในรูปที่ 6(c) ในครึ่งหลัง กระบวนการทางกายภาพเดียวกันนี้จะถูกปฏิบัติตาม แต่สังเกตว่าทิศทางจะตรงกันข้าม หลังจากนั้น กระบวนการนี้จะทำซ้ำและดำเนินต่อไปเรื่อยๆ โดยไม่มีกำหนด ก่อให้เกิดการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าคล้ายกับรูปที่ 4
รูปที่ 6
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 20 มิ.ย. 2567
