[天线原理及设计>基本原理] 1. 辐射机制

1. 辐射机制

1.1. Single Wire 单线

1. 如果电荷不移动，则不会产生电流，也不会产生辐射。

2. 如果电荷以匀速移动：
   a. 如果电线是直的，并且范围是无限的，则没有辐射。
   b. 如果电线弯曲、弯曲、不连续、端接或截断，则会产生辐射，如图1.10所示。

3. 如果电荷在时间运动中振荡，即使线是直的，它也会辐射。

1.2. Two-Wires 两根线

让我们考虑一个连接到双导体传输线的电压源，该传输线连接到天线，如图1.11（a）所示。在双导体传输线上施加电压会在导体之间产生电场。如果我们假设电压源是正弦曲线，我们预计导体之间的电场也是正弦曲线，其周期等于施加的电源的周期。电场强度的相对大小由力线的密度（聚束）表示，箭头表示相对方向（正或负）。导体之间时变电场和磁场的产生形成沿传输线传播的电磁波，如图1.11（a）所示。电磁波并伴随着电荷和相应的电流进入天线。

电场与其相关联的是电力线，电力线在每个点与电场相切，其强度与电场强度成正比。电力线倾向于作用于与每个导体相关的自由电子（很容易与原子分离），并迫使它们位移。电荷的运动产生电流，进而产生磁场强度。与磁场强度相关的是与磁场相切的磁力线。

我们已经接受电场线以正电荷开始，以负电荷结束。它们也可以从正电荷开始，到无穷大结束，从无穷大开始，到负电荷结束，或者形成既不以任何电荷开始也不以任何充电结束的闭环。磁场线总是形成环绕载流导体的闭环，因为物理上没有磁电荷。

进一步，如果把伸出的天线切掉一截，见图1.11(b)所示，自由空间波可以通过“连接”电线的开口端（虚线所示）形成。自由空间波也是周期性的，但恒定相位点P0随着光速向外移动，在半个周期内传播λ/2（到P1）的距离。已经表明[6]，在天线附近，恒定相位点P0的移动速度比光速快，但在远离天线的点处接近光速（类似于矩形波导内的相位速度）。

仍未解决的问题是，如何将导波从天线上分离出来，以产生图1.11和1.12中表示为闭环的自由空间波。在我们试图解释这一点之前，让我们将引导和自由空间波与水波[7]进行比较，水波是由鹅卵石在平静的水体中掉落或以其他方式引发的。一旦水中的扰动开始，就会产生水波，开始向外传播。如果扰动被消除，波浪不会自行停止或熄灭，而是继续其传播过程。如果扰动持续存在，就会不断产生新的波，这些波在传播过程中会落后于其他波。电干扰产生的电磁波也是如此。

图1.12显示了自由空间波在具有λ/2焦间距离的长椭球体上的产生和传播，其中λ是波长。除天线附近外，中心馈电λ/2偶极子的自由空间波与长椭球体的自由空间波基本相同。

如果源的初始电干扰持续时间较短，则产生的电磁波在传输线内传播，然后进入天线，最后以自由空间波的形式辐射，即使电源已经不存在（就像水波及其产生的干扰一样）。如果电干扰具有连续性，电磁波就会连续存在，并跟随其他电磁波传播。图1.13显示了双锥天线的情况。当电磁波在传输线和天线内时，它们的存在与导体内电荷的存在有关。然而，当波被辐射时，它们形成闭环，并且没有电荷来维持它们的存在。

这使我们得出结论，需要电荷来激发场，但不需要电荷来维持场，在没有电荷的情况下可能存在。这与水波有直接的类比。

1.3. Dipole 偶极天线

现在，让我们尝试解释一下电力线从天线上分离形成自由空间波的机制，这将再次通过一个小偶极天线的例子来说明，其中传播时间可以忽略不计。这只是为了对力线的分离给出更好的物理解释。虽然这是一种稍微简化的机制，但它确实允许人们想象自由空间波的产生。

1. 图1.14（a）显示了在周期的第一个1/4时刻（电荷已达到其最大值，假设时间呈正弦变化） 在小型中心馈电偶极子的臂之间产生的力线，并且电力线已向外行进了径向距离λ/4。

   对于这个例子，让我们假设形成的线条数量为三条。

2. 在下一个(第二个)1/4的周期，原始的三条线额外行进了λ/4（从初始点开始总共行进了λ/2），导体上的电荷密度开始减小。这可以被认为是通过引入相反的电荷来实现的，在周期的前半段结束时，这些电荷已经中和了导体上的电荷。在周期的第二个1/4周期时，相反电荷产生的力线有3条并且传输了λ/4的距离，如图1.14（b）中虚线所示。

3. 最终结果是，在第一个λ/4距离中有三条向上指向的力线，在第二个λ/4中有相同数量的向下指向的线。由于天线上没有净电荷，因此力线必须被迫与导体分离，并结合在一起形成闭环。如图1.14（c）所示。

4. 在剩下的后半段，遵循相同的程序，但方向相反。之后，重复该过程并无限期地继续，形成类似于图1.12的电场模式。