Mobitel d.d., Izobraževanje 6. 3. 2009, predavanje 6 Prof. dr....
Transcript of Mobitel d.d., Izobraževanje 6. 3. 2009, predavanje 6 Prof. dr....
-
Elementarni viri sevanja
Mobitel d.d.,
Izobraževanje
6. 3. 2009, 6. 3. 2009,
predavanje 6
Prof. dr. Jožko
Budin
-
Elementarni viri sevanjaVsebina:
• Sevalni pojavi• Elementarni viri sevanja• Električni tokovni element• Električni tokovni element• Magnetni tokovni element• Huygensov vir• Sevana moč in sevalna upornost• Smernost, dobitek in efektivna površina
Mobitel d.d. – izobraževanje 6.3.2009, predavanje 6
Prof. dr. Jožko Budin
-
Heinrich Hertz
“ Ne mislim, da bodo radijski valovi,
ki sem jih odkril, imeli kakršnokoli
p r a k t i č n o u p o r a b o ” .
1887: eksperimentalno odkritje radijskih valov na λ = 66 cm. Polje je polarizirano.
-
Hertzov poskus
Napetost na indukcijski tuljavi
sproži izmenično razelektritev zelo visoke frekvence.
Napetost iskrenja
Oddajnik-
iskrišče
Sprejemnik-
iskrišče
Preskok iskre na oddajnem
iskrišču sproži preskok iskre na bližnjem sprejemnem
iskrišču.
Hertz je dokazal polarizacijo
interferenco, difrakcijo,
refleksijo in refrakcijo valov
ter hitrost širjenja.
-
Hertzov dipolHERTZOV
DIPOL
-
Pretok energije okoli vira
-
Sevalni pojavi1. Prehod med energijskimi stanji atoma (Bohrov model)
– Prehod elektronov med stabilnimi oblami (sevanje plinov)
2. Prehod med energijskimi stanji kvantne jame
– Prehod elektronov med energijskimi nivoji (kvantni kaskadni laser)
3. Prehod med energijskimi stanji snovi polprevodnika
– Prehod elektronov s prevodnega v valenčni pas (polprevodniški laser)
4. Prehod med energijskimi stanji molekule4. Prehod med energijskimi stanji molekule
– Vibracijsko - rotacijski energijski pasovi (maser, laser)
– Primer trdih Roentgenskih žarkov
5. Pospešeno gibanje naelektrenih delcev
– Enakomerno kroženje
– Oscilatorno (izmenično) gibanje elektronov – izmenični tok, antena
6. Kombinirano gibanje
– Sinhrotronsko sevanje
-
Zavorno sevanje
-
Sevanje elektrona pri preskoku
-
Sevanje elektrona pri zaviranju
-
Sevanje kot naravni pojavKaj ga povzroča:
• Naelektreni delci, ki se gibljejo pospešeno, oddajajo energijo v prostor (izmenični konduktivni tok J (v kovini), izmenični konvektivni tok J v prostoru (ionosfera)
• Poljski tok jωεE in –jωµH v prostoru (ekvivalenca polja in tokov)
Kakšno je:
• Sevano polje je tisti del polja okoli antene, ki se od vira osamosvoji in potuje nepovratno v prostorosamosvoji in potuje nepovratno v prostor
• Sevano polje ima v lokalnih razsežnostih lastnosti TEM vala poljubne polarizacije
• Sevano polje izhaja iz navideznega faznega središča antene• S porazdelitvijo sevanega polja po smereh je določen smerni
(sevalni) diagram antene. Daje porazdelitev amplitude in faze sevanega polja od smeri
• Elektromagnetno sevanje je neizotropno, spreminja se s smerjo v prostor. Antena s krogelnim smernim diagramom ne obstaja.
-
Kontinuiteta toka
Magnetno polje Magnetno polje Magnetno polje
konduktivnega toka poljskega toka konduktivnega toka
toka v vodniku v kondenzatorju v vodniku
-
Tokovi
• Konduktivni tok:
gostota J = γ E (A/m2), kovina
• Konvektivni tok:
gostota J = ρ v (A/m2), ionosferagostota J = ρ v (A/m2), ionosfera
• Poljski tok:
gostota J = jωD (A/m2), dielektrik
Tokovi vseh vrst povzročajo enake učinke.
-
Električni in magnetni tokovni element
Stebriček električnega Stebriček navideznega
toka magnetnega toka
Deluje kot tokovni generator Deluje kot napetostni generator
-
Elementarni viri sevanja
1. Realni (obstoječi) linearni viri sevanja:
• Elementarni električni dipol (dolžinski element električnega toka), I∆∆∆∆L. Ima pomen vsiljenega toga (tokovni generator v vezjih)
• Elementarni magnetni dipol (elementarna tokovna zanka), I∆A
2. Virtualni (navidezni) linearni viri sevanja
• Elementarni magnetni dipol (dolžinski element navideznega magnetnega toka), • Elementarni magnetni dipol (dolžinski element navideznega magnetnega toka), Im∆∆∆∆L. Ima pomen vsiljene napetosti (napetostnega generatorja v vezjih)
• Elementarni električni dipol (elementarna zanka navideznega magnetnega toka), Im∆∆∆∆A
3. Realni ploskovni vir sevanja (Huygensov vir)
• E×H����∆A
• Prekrižani elementarni električni/magnetni dipol, I∆∆∆∆L×Im∆∆∆∆L
-
Elementarni viri sevanja – antenski gradnikiElektrični tokovni element
Elementarni električni dipol
Polje TM01 – sferični val
Magnetni tokovni element
Elementarni magnetni dipol
Polje TE01 – sferični val
Elementarni ploskovni vir
Huygensov vir
Polje TM01 + TE01
LIv
∆
Ev
r
LImv
∆
r
Hv
Ev H
vr
LIv
∆LImv
∆
( ) AHEvvv
∆×
Komponente:
Ekvivalenca: vrtinec
Gradnik kovinskih anten
Komponente:
Ekvivalenca: vrtinec
Gradnik režastih anten
Komponente:
Ekvivalenca: tokovni križ
Gradnik odprtinskih anten
Lastnosti:
• sevanje elementarnih virov je neizotropno,izotropnih elektromagnetnih virov v naravi ni.• sevajo le komponente, ki upadajo z razdaljo kot 1/r.
AIjZ
kLI m∆∆∆∆====∆∆∆∆
0
AIjkZLIm ∆∆∆∆====∆∆∆∆ 0 HJ nvvv
××××==== 1
nm EJ 1vv
××××====0Z
H
E====
LIm∆
rrr
1,
1,
123 rrr
1,
1,
123 rrr
1,
1,
123
Jv
mJv
-
Polje dipola
-
Električni in magnetni tokovni element –polje v daljavi r>>λ/2π
Dualna vira in dualno daljne polje
-
Tokovni element – odvisnost komponent
polja od razdalje in smeri v prostor
-
Smerni diagram tokovnega elementa
Ravnina elevacije φ = konst.tokovni element v smeri z
-
Prostorski smerni diagram in slika
električnega polja tokovnega elementa
-
Elementarna tokovna zanka – odvisnost komponent polja
-
Pojasnitev odvisnosti polj
od razdalje r in polarnega kota θ
1.Površinska gostota moči S = E2/2Z0 upada kot r
-2, zato upada E kot r -1.
2. Za vira in polji v točkah 1 2. Za vira in polji v točkah 1 in 2 velja recipročnost I1∆l1E2 sinθ = I2∆l2E1.Odtod je E1 v smeri pod kotom θ sorazmerna s sinθ.
3.Magnetno polje sledi iz električnega po E/H = Z0.
-
Določitev razmerja D/A
Iz recipročnosti izhaja G1/A1 = G2/A2, torej je
enako za vse antene. Izračunajmo ga za
tokovni element I∆l:
G = 3/2G = 3/2
A = P/S
P = (E.∆l)2/8R, R = 80π2(∆l/λ)2
S = E2/(2Z0), Z0 = 120 π
Sledi:
G/A = 4π/λ2, veljavno za vse antene.
-
Elementarni dipol v splošni legi
-
Daljno polje Huygensovega vira
-
Dodatek
IZRAČUNI
-
Električni in magnetni tokovni element –potencial in polje v prostoru
Dualna vira, dualna potenciala in dualni polji
-
Tokovni element – vektorski potencial
Tokovni vir:
Vektorski
potencial:
Sferične komponente potenciala:Sferične komponente potenciala:
-
Tokovni element – magnetno polje
( ) =
∂
∂−
∂
∂=
×∇=
r
o
AAr
H
AH
φθ
θθµ
µ
θφ 0sinsin
1
1 rr
( )
( ) ( )
∂
∂−
∂
∂=
=
∂
∂−
∂
∂=
∂∂
r
o
r
o
o
r
ArArr
H
rAr
Ar
H
r
θµ
φθµ
φθθµ
θφ
φθ
θφ
1
0sin
11
sin
-
Tokovni element – električno polje
( )o
r
o
HH
rjE
Hj
E
∂
∂−
∂
∂=
×∇=
sinsin
11
1
φθ
θθωε
ωε
θφ
rr
( ) ( )
( )
( ) ( )rjk
ooo
oo
o
rjk
oo
oo
o
o
o
erjkrjkrjk
kIdl
rHrrj
E
erjkrjk
kIdl
rj
−
−
++−=
∂
∂−=
+−=
∂∂
32
2
32
2
111sin
4
11
11cos2
4
sin
θηπ
ωε
θηπ
φθθωε
φθ
-
Tokovni element – komponente polja
( ) 011 =
∂
∂−
∂
∂=
θωεθφ
r
o
HrH
rrjE
-
Tokovni element – daljno polje
θπ
φ sin4
=
−
−
rjk
o
rjk
eIdl
kr
eIdljH
o
o
πη
θηπ
φ
θ
θ
120
sin4
==∴
=
−
o
oo
rjk
H
E
kr
eIdljE
o
-
Smerni diagram
90O
z
3dB širina lista
Kratek tokovni element
yVsesmerni diagram
x
-
Tokovni element - smernost
sin),(4
12
0 0
2
2
max=
∫ ∫π π
φθθφθπ
ddE
ED
5.1
3
4
2
1
1
sin24
1
1
sinsin4
1
0
3
2
0 0
2
2
max
=
×
=
==
∫∫ ∫ππ π
θθππ
φθθθπ
ddd
E
-
Tokovni element – sevana moč
[ ] [ ]
[ ] rHrHH
rHEHxEP
ooˆ
2
1ˆRe
2
1
ˆRe2
1Re
2
1
2*
**
φφφ
φθ
ηη ==
==rrr
∫ ∫ •= sdPPrr
∫ ∫
∫ ∫
∫ ∫
=
=
•=
π π
π π
φ
φθθπ
η
φθθη
2
0 0
3
2
2
0 0
22
sin42
1
sin2
1
ddIdlk
ddrH
sdPP
oo
o
r
θπ
φ sin4
okr
IdlH =
-
Tokovni element – sevana moč
( ) ( )
( ) ( ) θπ
η
θθπ
ηθθπ
η
π
ππ
cos1cos16
cossin16
sin16
0
2
2
0
2
2
0
3
2
oo
oo
oo
dIdlk
dIdlk
dIdlk
P
−=
−==
∫
∫∫
( )
( )
( )π
η
πη
θθ
πη
π
12
13
11
3
1
16
cos3
cos
16
2
2
0
32
0
oo
oo
oo
Idlk
Idlk
Idlk
=
+−+−=
−=
-
Tokovni element – sevalna upornost
Rr( )2
6= oor
dlkR
πη
( )π
η12
2
1
2
2
oo
r
Idlk
RIP
=
=
2
2
2
80
2
6
120
=
=
o
o
dl
dl
λπ
λ
π
π
π
-
Kratek dipol
-
Približek tokovnega elementa
Približek
Potek toka
Približek
konst.
toka
2
0
2
2
0
2
2
0
220
28080
=
=
=
λπ
λπ
λπ
LLdlRr
-
Približek tokovnega monopola
Potek toka
Približek
konstantnega
toka
-
Elementarna tokovna zanka
2
2 220
=ra
Rλ
ππa 20
=o
rRλ
π
-
Pravila zrcaljenja električnih in magnetnih tokov
Električna kovina Električna kovina Magnetna kovina Magnetna kovina
Električni tok
Navidezni magnetni tok
-
Smerni vektorji
-
Smerni vektorji
-
Električno polje oscilirajočega naboja
t = 0 t =T/4 t =T/2t = 0 t =T/4 t =T/2
t =3T/4 t =T