Ketika berbicara tentangantenaPertanyaan yang paling banyak dikhawatirkan orang adalah "Bagaimana radiasi sebenarnya dihasilkan?" Bagaimana medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh sumber sinyal merambat melalui saluran transmisi dan di dalam antena, dan akhirnya "terpisah" dari antena untuk membentuk gelombang ruang bebas.
1. Radiasi kawat tunggal
Mari kita asumsikan bahwa kerapatan muatan, dinyatakan sebagai qv (Coulomb/m3), terdistribusi secara merata dalam kawat melingkar dengan luas penampang a dan volume V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1
Muatan total Q dalam volume V bergerak ke arah z dengan kecepatan tetap Vz (m/s). Dapat dibuktikan bahwa rapat arus Jz pada penampang kawat adalah:
Jz = qv vz （1）
Jika kawat terbuat dari konduktor ideal, maka rapat arus Js pada permukaan kawat adalah:
Js = qs vz （2）
Di mana qs adalah kerapatan muatan permukaan. Jika kawat sangat tipis (idealnya, jari-jarinya 0), arus dalam kawat dapat dinyatakan sebagai:
Iz = ql vz (3)
Di mana ql (coulomb/meter) adalah muatan per satuan panjang.
Kami terutama membahas kawat tipis, dan kesimpulannya berlaku untuk ketiga kasus di atas. Jika arus bervariasi terhadap waktu, turunan rumus (3) terhadap waktu adalah sebagai berikut:
(4)
az adalah percepatan muatan. Jika panjang kawat adalah l, (4) dapat ditulis sebagai berikut:
(5)
Persamaan (5) adalah hubungan dasar antara arus dan muatan, dan juga hubungan dasar antara radiasi elektromagnetik. Sederhananya, untuk menghasilkan radiasi, harus ada arus yang berubah terhadap waktu atau percepatan (atau perlambatan) muatan. Kita biasanya menyebutkan arus dalam aplikasi harmonik waktu, dan muatan paling sering disebutkan dalam aplikasi transien. Untuk menghasilkan percepatan (atau perlambatan) muatan, kawat harus ditekuk, dilipat, dan terputus-putus. Ketika muatan berosilasi dalam gerak harmonik waktu, muatan tersebut juga akan menghasilkan percepatan (atau perlambatan) muatan periodik atau arus yang berubah terhadap waktu. Oleh karena itu:
1) Jika muatan tidak bergerak, tidak akan ada arus dan tidak ada radiasi.
2) Jika muatan bergerak dengan kecepatan konstan:
a. Jika kawat lurus dan panjangnya tak terhingga, tidak ada radiasi.
b. Jika kawat ditekuk, dilipat, atau terputus-putus seperti pada Gambar 2, maka terjadilah radiasi.
3) Jika muatan berosilasi seiring waktu, muatan akan terpancar meskipun kawatnya lurus.
Gambar 2
Pemahaman kualitatif tentang mekanisme radiasi dapat diperoleh dengan mengamati sumber pulsa yang terhubung ke kawat terbuka yang dapat dibumikan melalui beban di ujung terbukanya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(d). Ketika kawat awalnya diberi energi, muatan (elektron bebas) di dalam kawat digerakkan oleh garis-garis medan listrik yang dihasilkan oleh sumber. Ketika muatan dipercepat di ujung sumber kawat dan diperlambat (percepatan negatif relatif terhadap gerakan awal) ketika dipantulkan di ujungnya, medan radiasi dihasilkan di ujung-ujungnya dan di sepanjang sisa kawat. Percepatan muatan dihasilkan oleh sumber gaya eksternal yang menggerakkan muatan dan menghasilkan medan radiasi terkait. Perlambatan muatan di ujung-ujung kawat dihasilkan oleh gaya internal yang terkait dengan medan induksi, yang disebabkan oleh akumulasi muatan terkonsentrasi di ujung-ujung kawat. Gaya internal memperoleh energi dari akumulasi muatan ketika kecepatannya menurun menjadi nol di ujung-ujung kawat. Oleh karena itu, percepatan muatan akibat eksitasi medan listrik dan perlambatan muatan akibat diskontinuitas atau kurva halus impedansi kawat merupakan mekanisme pembangkitan radiasi elektromagnetik. Meskipun rapat arus (Jc) dan rapat muatan (qv) merupakan suku sumber dalam persamaan Maxwell, muatan dianggap sebagai besaran yang lebih fundamental, terutama untuk medan transien. Meskipun penjelasan radiasi ini terutama digunakan untuk keadaan transien, penjelasan ini juga dapat digunakan untuk menjelaskan radiasi keadaan tunak.
Rekomendasikan beberapa yang bagusproduk antenadiproduksi olehRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2GHz)
RM-SWA910-22 (9-10GHz)
2. Radiasi dua kawat
Hubungkan sumber tegangan ke saluran transmisi dua konduktor yang terhubung ke antena, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(a). Pemberian tegangan pada saluran dua kawat menghasilkan medan listrik di antara kedua konduktor. Garis-garis medan listrik tersebut bekerja pada elektron bebas (yang mudah dipisahkan dari atom) yang terhubung ke setiap konduktor dan memaksanya untuk bergerak. Pergerakan muatan menghasilkan arus, yang selanjutnya menghasilkan medan magnet.
Gambar 3
Kita telah menerima bahwa garis medan listrik dimulai dengan muatan positif dan diakhiri dengan muatan negatif. Tentu saja, garis-garis tersebut juga dapat dimulai dengan muatan positif dan berakhir pada jarak tak terhingga; atau dimulai pada jarak tak terhingga dan diakhiri dengan muatan negatif; atau membentuk loop tertutup yang tidak dimulai maupun diakhiri dengan muatan apa pun. Garis medan magnet selalu membentuk loop tertutup di sekitar konduktor berarus karena tidak ada muatan magnet dalam fisika. Dalam beberapa rumus matematika, muatan magnet ekivalen dan arus magnet diperkenalkan untuk menunjukkan dualitas antara solusi yang melibatkan daya dan sumber magnet.
Garis-garis medan listrik yang ditarik di antara dua konduktor membantu menunjukkan distribusi muatan. Jika kita berasumsi bahwa sumber tegangan bersifat sinusoidal, kita mengharapkan medan listrik di antara kedua konduktor juga bersifat sinusoidal dengan periode yang sama dengan sumbernya. Besaran relatif kuat medan listrik direpresentasikan oleh kerapatan garis-garis medan listrik, dan panah menunjukkan arah relatif (positif atau negatif). Pembangkitan medan listrik dan magnet yang bervariasi terhadap waktu di antara kedua konduktor membentuk gelombang elektromagnetik yang merambat di sepanjang saluran transmisi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(a). Gelombang elektromagnetik memasuki antena dengan muatan dan arus yang sesuai. Jika kita menghilangkan sebagian struktur antena, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(b), gelombang ruang bebas dapat dibentuk dengan "menghubungkan" ujung-ujung terbuka garis-garis medan listrik (ditunjukkan oleh garis putus-putus). Gelombang ruang bebas juga periodik, tetapi titik fase konstan P0 bergerak keluar dengan kecepatan cahaya dan menempuh jarak λ/2 (menuju P1) dalam setengah periode waktu. Di dekat antena, titik fase konstan P0 bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya dan mendekati kecepatan cahaya di titik-titik yang jauh dari antena. Gambar 4 menunjukkan distribusi medan listrik ruang bebas antena λ∕2 pada t = 0, t/8, t/4, dan 3T/8.
Gambar 4 Distribusi medan listrik ruang bebas antena λ∕2 pada t = 0, t/8, t/4 dan 3T/8
Belum diketahui bagaimana gelombang terpandu terpisah dari antena dan akhirnya terbentuk untuk merambat di ruang bebas. Kita dapat membandingkan gelombang terpandu dan gelombang ruang bebas dengan gelombang air, yang dapat disebabkan oleh batu yang dijatuhkan ke perairan yang tenang atau dengan cara lain. Setelah gangguan di dalam air dimulai, gelombang air dihasilkan dan mulai merambat ke luar. Bahkan jika gangguan berhenti, gelombang tidak berhenti tetapi terus merambat ke depan. Jika gangguan berlanjut, gelombang baru terus-menerus dihasilkan, dan perambatan gelombang ini tertinggal dari gelombang lainnya.
Hal yang sama berlaku untuk gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh gangguan listrik. Jika gangguan listrik awal dari sumber berdurasi singkat, gelombang elektromagnetik yang dihasilkan akan merambat di dalam saluran transmisi, kemudian memasuki antena, dan akhirnya memancar sebagai gelombang ruang bebas, meskipun eksitasinya sudah tidak ada lagi (seperti gelombang air dan gangguan yang ditimbulkannya). Jika gangguan listrik bersifat kontinu, gelombang elektromagnetik akan terus ada dan mengikuti secara dekat di belakangnya selama perambatan, seperti yang ditunjukkan pada antena bikonik pada Gambar 5. Ketika gelombang elektromagnetik berada di dalam saluran transmisi dan antena, keberadaannya berkaitan dengan keberadaan muatan listrik di dalam konduktor. Namun, ketika gelombang diradiasikan, gelombang tersebut membentuk loop tertutup dan tidak ada muatan yang mempertahankan keberadaannya. Hal ini membawa kita pada kesimpulan bahwa:
Eksitasi medan memerlukan percepatan dan perlambatan muatan, tetapi pemeliharaan medan tidak memerlukan percepatan dan perlambatan muatan.
Gambar 5
3. Radiasi Dipol
Kami mencoba menjelaskan mekanisme bagaimana garis-garis medan listrik terlepas dari antena dan membentuk gelombang ruang bebas, dan mengambil antena dipol sebagai contoh. Meskipun penjelasannya sederhana, hal ini juga memungkinkan orang untuk melihat secara intuitif pembentukan gelombang ruang bebas. Gambar 6(a) menunjukkan garis-garis medan listrik yang dihasilkan antara kedua lengan dipol ketika garis-garis medan listrik bergerak keluar sebesar λ∕4 pada kuartal pertama siklus. Untuk contoh ini, mari kita asumsikan bahwa jumlah garis medan listrik yang terbentuk adalah 3. Pada kuartal berikutnya dari siklus, tiga garis medan listrik asli bergerak lagi sebesar λ∕4 (total λ∕2 dari titik awal), dan kerapatan muatan pada konduktor mulai berkurang. Hal ini dapat dianggap terbentuk oleh pengenalan muatan-muatan yang berlawanan, yang saling meniadakan muatan-muatan pada konduktor pada akhir paruh pertama siklus. Garis medan listrik yang dihasilkan oleh muatan berlawanan adalah 3 dan bergerak sejauh λ∕4, yang diwakili oleh garis putus-putus pada Gambar 6(b).
Hasil akhirnya adalah terdapat tiga garis medan listrik yang mengarah ke bawah pada jarak λ∕4 pertama dan jumlah garis medan listrik yang mengarah ke atas yang sama pada jarak λ∕4 kedua. Karena tidak ada muatan netto pada antena, garis-garis medan listrik tersebut harus dipaksa terpisah dari konduktor dan bergabung membentuk loop tertutup. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6(c). Pada bagian kedua, proses fisika yang sama terjadi, tetapi perhatikan bahwa arahnya berlawanan. Setelah itu, proses tersebut berulang dan berlanjut tanpa batas, membentuk distribusi medan listrik yang serupa dengan Gambar 4.
Gambar 6
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 20-Jun-2024
