Ketika berbicara tentangantenaPertanyaan yang paling dikhawatirkan orang adalah "Bagaimana sebenarnya radiasi 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, yang 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 searah sumbu z dengan kecepatan seragam Vz (m/s). Dapat dibuktikan bahwa kerapatan arus Jz pada penampang kawat adalah:
Jz = qv vz （1）
Jika kawat terbuat dari konduktor ideal, maka kerapatan 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.
Kita terutama membahas kawat tipis, dan kesimpulan berlaku untuk ketiga kasus di atas. Jika arus berubah 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 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 dibengkokkan, dilipat, dan terputus-putus. Ketika muatan berosilasi dalam gerak harmonik waktu, ia juga akan menghasilkan percepatan (atau perlambatan) muatan periodik atau arus yang berubah terhadap waktu. Oleh karena itu:
1) Jika muatan tidak bergerak, maka tidak akan ada arus dan tidak ada radiasi.
2) Jika muatan bergerak dengan kecepatan konstan:
a. Jika kawat lurus dan panjangnya tak terhingga, maka tidak ada radiasi.
b. Jika kawat tersebut bengkok, terlipat, atau terputus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, maka terjadi radiasi.
3) Jika muatan berosilasi seiring waktu, muatan akan memancarkan radiasi meskipun kawatnya lurus.
Gambar 2
Pemahaman kualitatif tentang mekanisme radiasi dapat diperoleh dengan melihat sumber pulsa yang terhubung ke kawat terbuka yang dapat diarde melalui beban di ujung terbukanya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(d). Ketika kawat awalnya diberi energi, muatan (elektron bebas) dalam kawat digerakkan oleh garis medan listrik yang dihasilkan oleh sumber. Saat 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 dilakukan oleh sumber gaya eksternal yang menggerakkan muatan dan menghasilkan medan radiasi yang terkait. Perlambatan muatan di ujung kawat dilakukan oleh gaya internal yang terkait dengan medan terinduksi, yang disebabkan oleh akumulasi muatan terkonsentrasi di ujung kawat. Gaya internal memperoleh energi dari akumulasi muatan saat kecepatannya berkurang menjadi nol di 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 kerapatan arus (Jc) dan kerapatan muatan (qv) sama-sama merupakan suku sumber dalam persamaan Maxwell, muatan dianggap sebagai besaran yang lebih mendasar, terutama untuk medan transien. Meskipun penjelasan radiasi ini terutama digunakan untuk keadaan transien, penjelasan ini juga dapat digunakan untuk menjelaskan radiasi keadaan tunak.
Merekomendasikan beberapa yang sangat bagusproduk antenadiproduksi olehRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0,8-2 GHz)
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 konduktor. Garis-garis medan listrik bekerja pada elektron bebas (yang mudah dipisahkan dari atom) yang terhubung ke setiap konduktor dan memaksa mereka untuk bergerak. Pergerakan muatan menghasilkan arus, yang pada gilirannya menghasilkan medan magnet.
Gambar 3
Kita telah menerima bahwa garis medan listrik dimulai dengan muatan positif dan berakhir dengan muatan negatif. Tentu saja, garis medan listrik juga dapat dimulai dengan muatan positif dan berakhir di tak terhingga; atau dimulai di tak terhingga dan berakhir dengan muatan negatif; atau membentuk lingkaran tertutup yang tidak dimulai maupun diakhiri dengan muatan apa pun. Garis medan magnet selalu membentuk lingkaran tertutup di sekitar konduktor yang dialiri arus karena tidak ada muatan magnet dalam fisika. Dalam beberapa rumus matematika, muatan magnet dan arus magnet yang setara diperkenalkan untuk menunjukkan dualitas antara solusi yang melibatkan daya dan sumber magnet.
Garis-garis medan listrik yang digambar di antara dua konduktor membantu menunjukkan distribusi muatan. Jika kita mengasumsikan bahwa sumber tegangan bersifat sinusoidal, kita mengharapkan medan listrik di antara konduktor juga bersifat sinusoidal dengan periode yang sama dengan periode sumber. Besaran relatif kekuatan medan listrik diwakili oleh kerapatan garis-garis medan listrik, dan panah menunjukkan arah relatif (positif atau negatif). Pembentukan medan listrik dan magnet yang berubah terhadap waktu di antara konduktor membentuk gelombang elektromagnetik yang merambat 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 (ke P1) dalam setengah periode waktu. Di dekat antena, titik fase konstan P0 bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya dan mendekati kecepatan cahaya pada titik-titik yang jauh dari antena. Gambar 4 menunjukkan distribusi medan listrik ruang bebas dari 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
Tidak 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 di perairan yang tenang atau dengan cara lain. Begitu gangguan di 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 dihasilkan, dan perambatan gelombang ini tertinggal di belakang gelombang lainnya.
Hal yang sama berlaku untuk gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh gangguan listrik. Jika gangguan listrik awal dari sumbernya berdurasi singkat, gelombang elektromagnetik yang dihasilkan merambat di dalam saluran transmisi, kemudian masuk ke antena, dan akhirnya memancar sebagai gelombang ruang bebas, meskipun eksitasi sudah tidak ada lagi (seperti gelombang air dan gangguan yang ditimbulkannya). Jika gangguan listriknya kontinu, gelombang elektromagnetik ada secara kontinu dan mengikuti gangguan tersebut dengan cermat selama perambatan, seperti yang ditunjukkan pada antena bikonis pada Gambar 5. Ketika gelombang elektromagnetik berada di dalam saluran transmisi dan antena, keberadaannya terkait dengan keberadaan muatan listrik di dalam konduktor. Namun, ketika gelombang dipancarkan, gelombang tersebut membentuk lingkaran tertutup dan tidak ada muatan untuk mempertahankan keberadaannya. Hal ini membawa kita pada kesimpulan bahwa:
Pembangkitan 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 medan listrik terlepas dari antena dan membentuk gelombang ruang bebas, dan mengambil antena dipol sebagai contoh. Meskipun ini adalah penjelasan yang disederhanakan, hal ini juga memungkinkan orang untuk secara intuitif melihat pembentukan gelombang ruang bebas. Gambar 6(a) menunjukkan garis medan listrik yang dihasilkan antara kedua lengan dipol ketika garis medan listrik bergerak keluar sejauh λ/4 pada seperempat siklus pertama. Untuk contoh ini, mari kita asumsikan bahwa jumlah garis medan listrik yang terbentuk adalah 3. Pada seperempat siklus berikutnya, tiga garis medan listrik asli bergerak lagi sejauh λ/4 (total λ/2 dari titik awal), dan kerapatan muatan pada konduktor mulai berkurang. Hal ini dapat dianggap terbentuk oleh pengenalan muatan berlawanan, yang saling meniadakan muatan pada konduktor di akhir setengah siklus pertama. Garis medan listrik yang dihasilkan oleh muatan berlawanan berjumlah 3 dan bergerak sejauh λ/4, yang diwakili oleh garis putus-putus pada Gambar 6(b).
Hasil akhirnya adalah terdapat tiga garis medan listrik ke bawah pada jarak λ/4 pertama dan jumlah garis medan listrik ke atas yang sama pada jarak λ/4 kedua. Karena tidak ada muatan bersih pada antena, garis-garis medan listrik harus dipaksa untuk terpisah dari konduktor dan bergabung bersama membentuk lingkaran tertutup. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6(c). Pada bagian kedua, proses fisik yang sama diikuti, tetapi perhatikan bahwa arahnya berlawanan. Setelah itu, proses diulang dan berlanjut tanpa batas, membentuk distribusi medan listrik yang mirip dengan Gambar 4.
Gambar 6
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 20 Juni 2024
