เมื่อพูดถึงเรื่องนี้เสาอากาศคำถามที่ผู้คนให้ความสนใจมากที่สุดคือ "การแผ่รังสีเกิดขึ้นได้อย่างไร?" สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสัญญาณแพร่กระจายผ่านสายส่งและภายในเสาอากาศได้อย่างไร และในที่สุด "แยกตัว" ออกจากเสาอากาศเพื่อก่อให้เกิดคลื่นในพื้นที่ว่างได้อย่างไร
1. การแผ่รังสีจากสายเดี่ยว
สมมติว่าความหนาแน่นของประจุ ซึ่งแสดงในหน่วย qv (คูลอมบ์/ลบ.ม.) กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในลวดวงกลมที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากับ a และปริมาตรเท่ากับ V ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1
ประจุรวม Q ในปริมาตร V เคลื่อนที่ไปในทิศทาง z ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ Vz (ม./วินาที) สามารถพิสูจน์ได้ว่าความหนาแน่นกระแส Jz บนหน้าตัดของลวดมีค่าดังนี้:
Jz = qv vz （1）
ถ้าลวดทำจากตัวนำในอุดมคติ ความหนาแน่นกระแส Js บนพื้นผิวลวดจะเป็น:
Js = qs vz （2）
โดยที่ qs คือความหนาแน่นประจุบนพื้นผิว ถ้าลวดบางมาก (ในอุดมคติ รัศมีเป็น 0) กระแสในลวดสามารถแสดงได้ดังนี้:
Iz = ql vz (3)
โดยที่ ql (คูลอมบ์/เมตร) คือประจุต่อหน่วยความยาว
เราสนใจเฉพาะลวดเส้นเล็กเป็นหลัก และข้อสรุปนี้ใช้ได้กับทั้งสามกรณีข้างต้น หากกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา อนุพันธ์ของสูตร (3) เทียบกับเวลาจะเป็นดังนี้:
(4)
az คือความเร่งของประจุ ถ้าความยาวของลวดคือ l สมการ (4) สามารถเขียนได้ดังนี้:
(5)
สมการ (5) คือความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างกระแสและประจุ และยังเป็นความสัมพันธ์พื้นฐานของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า กล่าวโดยง่ายคือ ในการสร้างการแผ่รังสี จะต้องมีกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาหรือการเร่งความเร็ว (หรือการลดความเร็ว) ของประจุ โดยปกติเราจะกล่าวถึงกระแสในการใช้งานแบบฮาร์มอนิกตามเวลา และมักจะกล่าวถึงประจุในการใช้งานแบบชั่วคราว เพื่อให้เกิดการเร่งความเร็ว (หรือการลดความเร็ว) ของประจุ ลวดจะต้องถูกดัด พับ และไม่ต่อเนื่อง เมื่อประจุสั่นในลักษณะการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกตามเวลา มันจะทำให้เกิดการเร่งความเร็ว (หรือการลดความเร็ว) ของประจุเป็นระยะ หรือกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ดังนั้น:
1) ถ้าประจุไม่เคลื่อนที่ จะไม่มีกระแสไฟฟ้าและไม่มีการแผ่รังสี
2) ถ้าประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่:
ก. ถ้าลวดเป็นเส้นตรงและยาวเป็นอนันต์ จะไม่มีการแผ่รังสี
ข. หากลวดงอ พับ หรือไม่ต่อเนื่อง ดังแสดงในรูปที่ 2 จะเกิดการแผ่รังสี
3) หากประจุมีการแกว่งไปมาตามเวลา ประจุจะแผ่รังสีออกมาแม้ว่าสายไฟจะตรงก็ตาม
รูปที่ 2
การทำความเข้าใจกลไกการแผ่รังสีในเชิงคุณภาพสามารถทำได้โดยการพิจารณาแหล่งกำเนิดพัลส์ที่เชื่อมต่อกับลวดเปิดซึ่งสามารถต่อลงดินได้ผ่านโหลดที่ปลายเปิด ดังแสดงในรูปที่ 2(d) เมื่อลวดได้รับพลังงานในตอนเริ่มต้น ประจุ (อิเล็กตรอนอิสระ) ในลวดจะถูกทำให้เคลื่อนที่โดยเส้นสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิด เมื่อประจุถูกเร่งความเร็วที่ปลายด้านแหล่งกำเนิดของลวดและลดความเร็วลง (ความเร่งติดลบเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่เดิม) เมื่อสะท้อนกลับที่ปลายด้านหนึ่ง สนามรังสีจะถูกสร้างขึ้นที่ปลายทั้งสองข้างและตลอดความยาวของลวด การเร่งความเร็วของประจุเกิดขึ้นจากแหล่งแรงภายนอกที่ทำให้ประจุเคลื่อนที่และสร้างสนามรังสีที่เกี่ยวข้อง การลดความเร็วของประจุที่ปลายลวดเกิดขึ้นจากแรงภายในที่เกี่ยวข้องกับสนามเหนี่ยวนำ ซึ่งเกิดจากการสะสมของประจุที่มีความเข้มข้นที่ปลายลวด แรงภายในได้รับพลังงานจากการสะสมของประจุเมื่อความเร็วลดลงเป็นศูนย์ที่ปลายลวด ดังนั้น การเร่งความเร็วของประจุเนื่องจากการกระตุ้นของสนามไฟฟ้า และการลดความเร็วของประจุเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องหรือเส้นโค้งเรียบของอิมพีแดนซ์ของลวด จึงเป็นกลไกในการสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าทั้งความหนาแน่นกระแส (Jc) และความหนาแน่นประจุ (qv) จะเป็นพจน์แหล่งกำเนิดในสมการของแม็กซ์เวลล์ แต่ประจุถือเป็นปริมาณพื้นฐานมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสนามชั่วคราว แม้ว่าคำอธิบายเกี่ยวกับรังสีนี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับสถานะชั่วคราว แต่ก็สามารถใช้เพื่ออธิบายรังสีในสถานะคงที่ได้เช่นกัน
ขอแนะนำหลายท่านที่ยอดเยี่ยมผลิตภัณฑ์เสาอากาศผลิตโดยอาร์เอฟเอ็มไอโซ:
RM-ทีซีอาร์406.4
RM-บีซีเอ082-4 (0.8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. การแผ่รังสีแบบสองสาย
เชื่อมต่อแหล่งจ่ายแรงดันเข้ากับสายส่งสองตัวนำที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) การจ่ายแรงดันให้กับสายสองเส้นจะสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นระหว่างตัวนำ สนามไฟฟ้าจะส่งผลต่ออิเล็กตรอนอิสระ (ซึ่งแยกออกจากอะตอมได้ง่าย) ที่เชื่อมต่อกับตัวนำแต่ละตัวและบังคับให้พวกมันเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ของประจุจะสร้างกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น
รูปที่ 3
เรายอมรับกันแล้วว่าเส้นแรงสนามไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยประจุบวกและสิ้นสุดด้วยประจุลบ แน่นอนว่ามันอาจเริ่มต้นด้วยประจุบวกและสิ้นสุดที่อนันต์ หรือเริ่มต้นที่อนันต์และสิ้นสุดด้วยประจุลบ หรืออาจก่อตัวเป็นวงปิดที่ไม่ได้เริ่มต้นหรือสิ้นสุดด้วยประจุใดๆ เส้นแรงสนามแม่เหล็กจะก่อตัวเป็นวงปิดรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเสมอ เพราะในทางฟิสิกส์ไม่มีประจุแม่เหล็ก ในสูตรทางคณิตศาสตร์บางสูตร จะมีการนำประจุแม่เหล็กและกระแสแม่เหล็กที่เทียบเท่ากันมาใช้เพื่อแสดงความสัมพันธ์แบบทวิภาคระหว่างคำตอบที่เกี่ยวข้องกับแหล่งพลังงานและแหล่งแม่เหล็ก
เส้นสนามไฟฟ้าที่ลากระหว่างตัวนำสองตัวช่วยแสดงการกระจายของประจุ หากเราสมมติว่าแหล่งจ่ายแรงดันเป็นแบบไซน์ เราคาดว่าสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำก็จะเป็นแบบไซน์เช่นกัน โดยมีคาบเท่ากับคาบของแหล่งจ่าย ความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้าแสดงถึงขนาดสัมพัทธ์ของความแรงสนามไฟฟ้า และลูกศรแสดงทิศทางสัมพัทธ์ (บวกหรือลบ) การเกิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาขึ้นระหว่างตัวนำจะก่อให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปตามสายส่ง ดังแสดงในรูปที่ 3(a) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเข้าสู่เสาอากาศพร้อมกับประจุและกระแสไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน หากเราถอดโครงสร้างเสาอากาศบางส่วนออก ดังแสดงในรูปที่ 3(b) จะสามารถสร้างคลื่นในพื้นที่ว่างได้โดยการ "เชื่อมต่อ" ปลายเปิดของเส้นสนามไฟฟ้า (แสดงด้วยเส้นประ) คลื่นในพื้นที่ว่างนี้ก็เป็นคาบเช่นกัน แต่จุดเฟสคงที่ P0 จะเคลื่อนที่ออกไปด้านนอกด้วยความเร็วแสงและเดินทางเป็นระยะทาง λ/2 (ไปยัง P1) ในครึ่งคาบเวลา บริเวณใกล้เสาอากาศ จุดเฟสคงที่ P0 เคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสง และเข้าใกล้ความเร็วแสงที่จุดที่อยู่ห่างจากเสาอากาศ รูปที่ 4 แสดงการกระจายสนามไฟฟ้าในพื้นที่ว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
รูปที่ 4 การกระจายสนามไฟฟ้าในพื้นที่ว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าคลื่นนำทางแยกออกจากเสาอากาศได้อย่างไร และก่อตัวขึ้นเพื่อแพร่กระจายในพื้นที่ว่างได้อย่างไร เราสามารถเปรียบเทียบคลื่นนำทางและคลื่นในพื้นที่ว่างกับคลื่นน้ำ ซึ่งอาจเกิดจากการโยนก้อนหินลงในผิวน้ำที่สงบ หรือด้วยวิธีอื่นๆ เมื่อเริ่มมีการรบกวนในน้ำ คลื่นน้ำจะถูกสร้างขึ้นและเริ่มแพร่กระจายออกไป แม้ว่าการรบกวนจะหยุดลง คลื่นก็จะไม่หยุด แต่จะยังคงแพร่กระจายไปข้างหน้า หากการรบกวนยังคงอยู่ คลื่นใหม่จะถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่อง และการแพร่กระจายของคลื่นเหล่านี้จะช้ากว่าคลื่นอื่นๆ
หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการรบกวนทางไฟฟ้าเช่นกัน หากการรบกวนทางไฟฟ้าเริ่มต้นจากแหล่งกำเนิดมีระยะเวลาสั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะแพร่กระจายภายในสายส่ง จากนั้นเข้าสู่เสาอากาศ และในที่สุดก็แผ่กระจายออกเป็นคลื่นในพื้นที่ว่าง แม้ว่าการกระตุ้นจะสิ้นสุดลงแล้วก็ตาม (เช่นเดียวกับคลื่นน้ำและการรบกวนที่เกิดขึ้น) หากการรบกวนทางไฟฟ้าเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะคงอยู่อย่างต่อเนื่องและติดตามการรบกวนนั้นอย่างใกล้ชิดในระหว่างการแพร่กระจาย ดังแสดงในเสาอากาศรูปทรงกรวยคู่ในรูปที่ 5 เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ภายในสายส่งและเสาอากาศ การดำรงอยู่ของคลื่นนั้นเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของประจุไฟฟ้าภายในตัวนำ อย่างไรก็ตาม เมื่อคลื่นแผ่กระจายออกไป พวกมันจะก่อตัวเป็นวงปิดและไม่มีประจุที่จะรักษาการดำรงอยู่ของพวกมันไว้ได้ สิ่งนี้ทำให้เราสรุปได้ว่า:
การกระตุ้นสนามแม่เหล็กต้องอาศัยการเร่งและลดความเร็วของประจุ แต่การรักษาสนามแม่เหล็กไม่จำเป็นต้องอาศัยการเร่งและลดความเร็วของประจุ
รูปที่ 5
3. การแผ่รังสีไดโพล
เราพยายามอธิบายกลไกที่เส้นสนามไฟฟ้าแยกตัวออกจากเสาอากาศและก่อตัวเป็นคลื่นในพื้นที่ว่าง โดยใช้เสาอากาศแบบไดโพลเป็นตัวอย่าง แม้ว่าจะเป็นคำอธิบายที่ง่ายขึ้น แต่ก็ช่วยให้ผู้คนมองเห็นการเกิดคลื่นในพื้นที่ว่างได้อย่างเป็นธรรมชาติ รูปที่ 6(a) แสดงเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างแขนทั้งสองของไดโพลเมื่อเส้นสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ออกไปด้านนอกเป็นระยะ λ/4 ในช่วงไตรมาสแรกของรอบ สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่าจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมี 3 เส้น ในช่วงไตรมาสถัดไปของรอบ เส้นสนามไฟฟ้าทั้งสามเส้นเดิมจะเคลื่อนที่ไปอีก λ/4 (รวมเป็น λ/2 จากจุดเริ่มต้น) และความหนาแน่นของประจุบนตัวนำเริ่มลดลง อาจพิจารณาได้ว่าเกิดจากการนำประจุตรงข้ามเข้ามา ซึ่งหักล้างประจุบนตัวนำในตอนท้ายของครึ่งแรกของรอบ เส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุตรงข้ามมีค่าเท่ากับ 3 และเคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง λ∕4 ซึ่งแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 6(b)
ผลลัพธ์สุดท้ายคือ มีเส้นสนามไฟฟ้าลงด้านล่างสามเส้นในระยะ λ/4 แรก และมีเส้นสนามไฟฟ้าขึ้นด้านบนจำนวนเท่ากันในระยะ λ/4 ที่สอง เนื่องจากไม่มีประจุสุทธิบนเสาอากาศ เส้นสนามไฟฟ้าจึงต้องถูกบังคับให้แยกออกจากตัวนำและรวมกันเพื่อสร้างวงปิด ดังแสดงในรูปที่ 6(c) ในครึ่งหลัง กระบวนการทางกายภาพเดียวกันนี้จะเกิดขึ้น แต่โปรดสังเกตว่าทิศทางตรงกันข้าม หลังจากนั้น กระบวนการจะถูกทำซ้ำและดำเนินต่อไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ทำให้เกิดการกระจายสนามไฟฟ้าที่คล้ายกับรูปที่ 4
รูปที่ 6
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
วันที่เผยแพร่: 20 มิถุนายน 2024
