Ketika berbicara tentangantenaPertanyaan yang paling banyak dikhawatirkan orang adalah "Bagaimana radiasi sebenarnya terjadi?" Bagaimana medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh sumber sinyal menyebar 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:
Saya = ql vz (3)
Di mana ql (coulomb/meter) adalah muatan per satuan panjang.
Kita terutama membahas tentang kawat tipis, dan kesimpulannya berlaku untuk tiga 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 ditekuk, dilipat, dan terputus-putus. Ketika muatan berosilasi dalam gerakan 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, 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 terjadi radiasi.
b. Jika kawat tertekuk, terlipat, atau terputus-putus, seperti yang ditunjukkan 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 melihat sumber berdenyut yang terhubung ke kabel terbuka yang dapat dibumikan melalui beban di ujung terbukanya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(d). Ketika kabel awalnya diberi energi, muatan (elektron bebas) di dalam kabel digerakkan oleh garis medan listrik yang dihasilkan oleh sumber. Saat muatan dipercepat di ujung sumber kabel dan diperlambat (percepatan negatif relatif terhadap gerakan awal) saat dipantulkan di ujungnya, medan radiasi dihasilkan di ujungnya dan di sepanjang sisa kabel. Percepatan muatan dilakukan oleh sumber gaya eksternal yang menggerakkan muatan dan menghasilkan medan radiasi terkait. Perlambatan muatan di ujung kabel dilakukan oleh gaya internal yang terkait dengan medan induksi, yang disebabkan oleh akumulasi muatan terkonsentrasi di ujung kabel. Gaya internal memperoleh energi dari akumulasi muatan saat kecepatannya berkurang menjadi nol di ujung kabel. 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) merupakan istilah 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 tetap.
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 ke saluran dua kawat menghasilkan medan listrik di antara konduktor. Garis medan listrik bekerja pada elektron bebas (yang mudah dipisahkan dari atom) yang terhubung ke setiap konduktor dan memaksanya 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 pada jarak tak terhingga; atau dimulai pada jarak 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 pembawa 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 medan listrik yang ditarik di antara dua konduktor membantu menunjukkan distribusi muatan. Jika kita berasumsi bahwa sumber tegangan adalah sinusoidal, kita mengharapkan medan listrik di antara konduktor juga sinusoidal dengan periode yang sama dengan sumbernya. Besaran relatif kekuatan medan listrik direpresentasikan oleh kerapatan garis medan listrik, dan anak panah menunjukkan arah relatif (positif atau negatif). Pembangkitan medan listrik dan medan magnet yang bervariasi terhadap waktu di antara konduktor membentuk gelombang elektromagnetik yang menjalar 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 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 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
Tidak diketahui bagaimana gelombang terpandu dipisahkan 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 sebuah batu yang dijatuhkan ke perairan yang tenang atau dengan cara lain. Begitu gangguan di dalam air dimulai, gelombang air terbentuk dan mulai merambat ke luar. Bahkan jika gangguan berhenti, gelombang tidak berhenti tetapi terus merambat ke depan. Jika gangguan berlanjut, gelombang baru terus terbentuk, 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 berlangsung singkat, gelombang elektromagnetik yang dihasilkan akan merambat di dalam saluran transmisi, kemudian masuk ke 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 terus-menerus, gelombang elektromagnetik akan terus ada dan mengikuti dengan saksama selama perambatan, seperti yang ditunjukkan pada antena bikonikal yang ditunjukkan 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 tersebut dipancarkan, 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 yang menyebabkan garis medan listrik terlepas dari antena dan membentuk gelombang ruang bebas, dan mengambil antena dipol sebagai contoh. Meskipun penjelasannya sederhana, penjelasan ini juga memungkinkan orang untuk melihat secara intuitif pembentukan gelombang ruang bebas. Gambar 6(a) menunjukkan garis medan listrik yang dihasilkan antara kedua lengan dipol ketika 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 siklus berikutnya, tiga garis medan listrik asli bergerak sebesar λ∕4 lagi (totalnya λ∕2 dari titik awal), dan kerapatan muatan pada konduktor mulai berkurang. Hal ini dapat dianggap terbentuk oleh masuknya muatan yang berlawanan, yang meniadakan muatan pada konduktor pada akhir paruh pertama siklus. Garis medan listrik yang dihasilkan oleh muatan berlawanan berjumlah 3 dan bergerak sejauh λ∕4, yang direpresentasikan 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 medan listrik harus dipaksa terpisah dari konduktor dan bergabung bersama untuk membentuk loop tertutup. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6(c). Pada bagian kedua, proses fisik yang sama diikuti, tetapi perhatikan bahwa arahnya berlawanan. Setelah itu, proses tersebut 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-Jun-2024
