이상적인 안테나가 모든 입사 전력을 흡수하지 않는 이유는 무엇입니까?
http://farside.ph.utexas.edu/teaching/em/lectures/node94.html 상태 :
따라서 최적의 경우 안테나가 흡수 한 전력의 절반이 즉시 재 방사됩니다. 분명히 전자기 방사선을 수신하는 안테나도 방출하고 있습니다.
이상적인 등방성 라디에이터가 $P_x$빈 공간으로. 이제 라디에이터를 둘러싸고있는 Poynting 플럭스에 통합 된 모든 닫힌 표면은$P_x$. 반경 가져 오기$r_1 < r_2 < r_3$, 모두 파장보다 훨씬 큽니다.
이제 이상적인 흡수체 (파동 임피던스가 $Z_0=377\Omega$ 들어오는 복사열을 열로 변환 ??) $r_2$. 닫힌 표면은$r_3$이제 이하를 줄 것입니다$P_x$(에너지의 일부가 내부에 흡수 되었기 때문입니다). 그러나 내 이해에 따르면 닫힌 표면은$r_1$ 여전히 있어야합니다 $P_x$.
열 복사를 무시하고 무엇이든 할 수 있습니다.$r_1$ 방사선이 흡수되었음을 감지 $r_2$?
이제이 이상적인 흡수체를 이상적인 안테나로 교체합니다. 위의 텍스트에 따르면이 안테나는 대부분의 이상적인 조건에서이 전력의 절반을 재 방사합니다.
다른 안테나를 $r_1$,이 안테나는 수신 할 수 있어야합니다 $\frac{P_x}{L_1} + \frac{P_x}{2 L_2}\frac{1}{L_2-L_1}$, 어디 $L_n$ 반경에서 이상적인 여유 공간 경로 손실을 나타냅니다. $r_n$. 첫 번째 용어는 이상적인 라디에이터에서 가져오고 두 번째 용어는 안테나에서 다시 방사 된 전력입니다.$r_2$. 이는 완벽하게 일치하는 수신 안테나의 존재만으로도 실제로 감지 할 수 있음을 의미합니다.
이상적인 안테나와 이상적인 흡수기의 차이점은 무엇입니까? 안테나가 전력의 절반을 재 방사하는 이유는 무엇입니까? 이상적인 흡수기가있을 수 있지만 신호를 감지하는 데 사용할 수없는 이유는 무엇입니까? 왜 우리는 힘의 절반을 버리는 무언가에 의존하고 있습니까?
내 모호한 설명은 파동의 전기장이 가속하는 도체의 전자를 여기 시킨다는 것입니다. 이 가속은 전류 / 전압 (회로에 의해 감지 됨)을 생성 할뿐만 아니라 전자기 복사도 생성합니다. 그러나 흑체의 경우 100 %의 방사선을 흡수하는 것이 가능합니다. (가장 효율적인 태양 전지 47.1 %, 즉 거의 절반이라는 점에 주목해야합니다. 이것이 동일한 기본 한계입니까?)
전파 전파의 관점에서 전자기파는 임피던스의 변화가있을 때만 반사 될 수 있습니다. 부하가 안테나와 완벽하게 일치한다고 가정하면 파장의 절반이 반사되는 임피던스 변화는 어디에 있습니까? 이것은 어떻게 든 변경과 관련이 있습니까?$Z_0=377\Omega$안테나의 방사 저항에? (수학적으로 이것은 방사 저항이 짧은 것을 나타내는 Hertz 쌍극자에 대해 의미가 있습니다.$Z_0$ 그러나 walf 파장 쌍극자는 그리 많지 않습니다).
마찬가지로 안테나가 종단되지 않았다고 가정합니다 (개방 회로). 이 경우 들어오는 전력의 50 % 만 개방 회로에 반영됩니까?
추신 :이 질문은 https://electronics.stackexchange.com/questions/187681/can-a-radio-transmitter-somehow-detect-the-number-of-receivers-in-its-area, 실제 답변은 논란의 여지가 있습니다.
모든 정교한 설명은 많이 감사합니다.
답변
1 , 2 , 3 의 고전적인 결과 를 요약하려고합니다 . 요컨대, 수신 안테나는 매우 짧은 쌍극자 또는 작은 루프와 같은 몇 가지 매우 특수한 경우를 제외하고는 흡수하는만큼 많은 전력을 분산 시키지 않습니다 . 이러한 작은 쌍극자의 경우 입사 파 가 안테나를 송 신용으로 사용하고 구동 할 때 볼 수 있는 것과 동일한 전류 분포를 유도 할 때 산란장 에너지는 수신기로 사용될 때 흡수 된 에너지와 동일합니다.
일반적으로 흩어져 흡수 된 필드에는 그러한 관계가 없습니다. 이 참고 사항을 보려면 수신기 안테나는 그 자체 로 안테나로 분석 할 수 없습니다 . 실제로 그 동작은 방향과 송신기 안테나까지의 거리에 따라 달라집니다. 이것들은 상호 2- 극 네트워크와 그에 상응하는 네트워크 로 설명 될 수 있습니다.$2\times2$ 임피던스 (어드미턴스) 매트릭스
$$\mathbf Z =\begin{bmatrix} Z_{11} & Z_{12} \\ Z_{21} & Z_{22} \end{bmatrix}$$
"T"(또는 "$\Pi$") 네트워크. 송신 발전기에 개방 회로가 있다고 가정합니다. $emf$ $V_g$ 내부 임피던스 $Z_g$ 전송선을 통해 안테나 포트에 연결됩니다. $2$, 부하 임피던스는 $Z_L$ 그리고 그것은 항구에 부착됩니다 $1$.
그만큼 $Z_{12}=Z_{21}$ 전송 임피던스는 공기를 통한 안테나 간의 결합을 나타내며 그 크기는 송신기와 수신기 안테나 사이의 상호 거리 제곱에 비례하며 실제로는 둘 중 하나보다 훨씬 작습니다. $|Z_{11}|$ 또는 $|Z_{22}|$. 아래 그림은 [3]에서 가져온 임피던스 매트릭스 표현이므로 Thevenin 등가물을 보여줍니다. (둘 다 사용할 수 있지만$T$ 우리는 $\Pi$ 네트워크에서 어드미턴스 매트릭스 표현이 Norton과 동등한 것을 얻는 데 더 편리 할 것입니다.)
Thevenin 등가물에서 우리는 $$Z_T = Z_{11}-\frac{Z_{12}^2}{Z_{22}+Z_g}\\ V_{oc}=\frac{Z_{12}}{Z_{22}+Z_g} V_g $$
Norton 등가 단락 전류는 $I_{sc}=\frac {V_{oc}}{Z_g}$
수신 된 흡수 및 네트워크 소산 전력은 $$P_L = \frac{1}{2} \left | \frac{V_{oc}}{Z_L+Z_T} \right |^2 \Re \{Z_L\} \\ P_D ^t = \frac{1}{2} \left \lvert\frac{V_{oc}}{Z_L+Z_T}\right\rvert ^2 \Re \{Z_T\} $$
흥미롭게도 Norton과 동등한 제품을 사용하면 손실 된 네트워크 전력을 다음과 같이 얻을 수 있습니다. $$P_D^n = P_D^t \left\lvert \frac{Z_L}{Z_T}\right \rvert^2= \frac{1}{2} \left\lvert\frac{V_{oc}}{Z_L+Z_T}\right\rvert ^2 \Re \{Z_T\} \left \lvert \frac{Z_L}{Z_T} \right\rvert^2$$
이 결과는 즉시 해석 할 수없고 해석해서는 안된다는 것을 보여줍니다. $P_D$Thevenin 또는 Norton 등가물을 사용하여 네트워크 내부의 소산 전력을 계산할 때 분산 전력으로 표시됩니다. 대신 이러한 등가 회로를 사용하여 부하에서 * 만 * 손실 된 전력을 계산할 수 있습니다.
예를 들어 수신 안테나가 개방 회로 인 경우 흡수 된 전력이나 내부 손실이 없습니다. $P_D=0$, 안테나가 흩어지지 않는 완전히 넌센스 결과를 얻습니다. 반면에 개방 회로의 경우 Norton 등가물은 안테나에서 완전한 반사를 보여줍니다. 수신 안테나의 부하가 구동 점 임피던스와 일치하면$Z_L = Z_T^{*}$ 그리고 우리는 $P_D^n=P_D^t$ 작은 쌍극자를 산란 된 힘으로 해석 할 수 있습니다. 자세한 내용은 Collin을 참조하십시오.
또 다른 접근 방식은 정전압 (또는 전류) 소스를 사용하는 Thevenin (또는 Norton) 등가 회로를 사용하는 대신 입사 전력 파를 직접 나타내는 정 전력 소스를 합성하는 Love의 방식입니다 . 이것은 아래와 같습니다.
애 퍼처 안테나의 경우 Love는 등가 회로의 전압 및 전류 소스가 아래에서와 같이 의존한다는 것을 보여줍니다. $\eta$조리개 효율입니다. 조리개 안테나에 집중 한 그의 분석은 일반적으로 임의의 안테나에는 유효하지 않지만 명백한 모순을 제거하고 정상적인 물리적 (공학) 직관과 일치합니다.
1 은색 : 마이크로파 안테나 이론 및 설계, 2 장, 섹션 10, 11 및 12
2 Love,“Aperture Antenna의 등가 회로”, Electronics Letters, 23, 13, 1987 년 6 월, pp. 708-710.
3 : Collin : 수신 안테나에 대한 Thevenin 및 Norton 등가 회로의 한계, IEEE 안테나 및 전파 매거진, Vol. 45, No. 2, 2003 년 4 월