天线辐射的物理过程

  因为我最多的思考是天线、所有关于振子方程、关于对电磁场问题解的理解，都是从天线出发的。

  尽管如此，我依旧是觉得有信心通过几次讲解，让大部分关注这样的一个问题的人，能对天线的基本工作过程和物理原理，有一定的理解。

  我的思路是这样的，首先通过对传输线中电荷或者载流子的分析，弄清楚他们基本的受力过程是如何的，传统的传输线为什么不能辐射。

  提醒下，我更多是从物理理解的角度去看和讨论天线，中间有不少自己的理解方式和看法，并且有时候为了理解方便、舍弃了一定的严谨性，请大家都选择接收。

  我在电磁场问题解的讨论中说过，我们绝大部分问题都是从振子方程出发的和理解的；

  引用上面那段话是为了加强对那个常数的理解，那个常数绝大多数都是所有波、振动、以及对应介质特性的综合体现。

  因为负电荷流动，对应着缺少电荷平衡的“空穴”反向流动，所以这种假定不影响分析的结果。

  我们说过，变量z前面符号取正是反向传播。则这个信号某一瞬间的电荷分布如下：

  我们后面再尝试分析一下瞬态的情况，现在先基于驻波往下分析，因为天线主要是在驻波下工作（当然有行波天线，但辐射的机理是一样的）

  显然那样理解起来没有这样直观。等按着这个思路捋顺了、对物理过程清楚了，再回到正常状态梳理，结论是不会变的。

  我们上面分析的是单根导线，事实上所有的传输线都是两根、信号都有正负两极的走线；

  图中的四分之一波长指示，是那个位置到末端是四分之一波长，是为了后面分析Monopole天线做准备。

  另外，在这一个位置上下导体的电势总为零，因为该处的正负电荷的数量总是相等；

  不是图上这个瞬间才电势为零，是任何时间，大家自己在脑子里推移下看看，这儿不再加图了；

  因为正向和反向移动的电荷量刚好相等；所以磁场的储能为零、对应的电场储能最大。

  注入过程导致电流产生，由此产生的磁场力（或者说磁场感生的反向电场，简单起见称磁场力）阻止这种注入的过程；

  刚开始电荷注入对方区域的速度慢，加速度最大（正弦求导就看出来了），所以磁场力也最大；

  随着注入过程的延续，注入的速度慢慢的变快，加速度却越来越慢，所以磁场力也在减弱；

  能量：刚开始时A对应位置的导体间电场很强，能量主要以电场的形式存储在A对应位置的导体间；

  一方面，异性电荷的中和作用使得A点对应位置的导体间的电场减弱，此处以电场形式储存的能量也随之减少

  另一方面，电场力在推动电荷运动的过程中，要不断克服磁场力对该过程的阻止作用，电场力克服磁场力做功的过程使得电场能逐渐减小、磁场能逐渐增加，直到节点两边完全电中和，则电场能完全转化为磁场能存储在B对应位置的导体间。

  也有，只是来自两个导体的力在导体外侧互相抵消，使得很近的地方才有净力的作用，远离导体的地方这个力将变得微不足道了。

  受力和运动：此时导体间的电场力为零，电荷的运动速度最大（电流最大），电荷运动在周围空间产生的磁场、不允许运动马上停止（磁场突变、意味着巨大的感应电场突然产生）；

  所以运动电荷受到磁场力的作用继续运动，结果使导线上的电平衡再次被破坏，节点两边又开始积累异性电荷；

  异性电荷的吸引力阻止这种继续运动的过程，随着异性电荷量的增加，电场的阻力慢慢的变大，磁场也被迫产生更大的磁场力来继续推动电荷运动；

  直到某一刻、磁场力再也不能维持节点两边强大的电场引力时，节点两边异性电荷量达到最大，继续运动过程结束，电荷速度为零。

  从电荷在磁场作用下继续运动开始，磁场力不断克服电场力做功，同时伴随着磁场能逐渐转化为电场能的过程。

  上面是整一个完整的过程的动态情况，因为电荷始终处在同步振荡状态，所以我们拿出两个电荷对来简化问题的分析。

  静电场的叠加结果使得导体外和水平方向的电场因反向被弱化，两导体间异性电荷间的场因同向被加强（看图示的电场方向）

  当电荷开始复合运动时，感应电场方向示意图如上，蓝色依然是上单体电流感应的磁场、绿色是下导体电流感应的磁场；

  从图示的方向可见，感应的磁场依然在两导体间同向加强，在导体外异向抵消，使得感应电场的绝大部分依然分布在导体间。

  同时，红色线是为了阻止电荷运动的感生电场方向，也是两个导线间比较强、而导体外是抵消的趋势。

  由于感应场始终阻碍电荷的复合运动，作用的结果使得消弱的电场能通过对感应电场的做功，转化为越来越强的磁场能。

  上下导体相互约束的结果，使得两导体上电荷复合感应的磁场都集中在两导体之间很小的区域内，与之相应的磁场能也集中在很小的区域内而不能扩散“稀释”；

  这样，不管静电势能还是感应场势能，都集中在导体间很小的区域，导体外侧基本没场的存在，这正是传输线平衡系统约束电磁场的方法、或者说不能辐射的原因。

  复合后，电场能全部转化为磁场能，由于两导体上电荷的约束作用，磁场集中在复合后的电荷对附近。

  磁场的作用总是试图把电荷分开；由于前一过程的电场能全部转化为电荷附近的磁场能，能量被约束在两根导线之间、没有减少和“稀释”，在该磁场的作用下，复合后的电荷对能重新分开到复合前的程度，只是正负电荷的方向对调；

  实际的传输线中有很多电荷在一起进行着复合、分离的过程，每一对电荷复合、上下导体间的电场就减弱一些，同时导体间的磁场相应增强；

  注意区分这里的力和能量的区别，磁场和电场对应着潜在做功的能力，或者说对应着存储势能，而瞬时的电场力大小对应着能量转换速度。

  并且，电荷的复合和分离的过程很可能是同时存在的，只是复合占优、还是分离占优；

  上面是传输线上的振荡电荷受力分析，我们正真看到，正负两根导线上的电荷相互作用的寄过，把整个振荡过程中的场、始终约束在两根导线之间，使得辐射不能发生。

  在电荷复合运动过程中，感应的电场力（红色虚线）阻止电荷的复合运动，这种阻力逐渐消耗掉两电荷间的电势能，消耗掉的能量转化为空间的磁场势能（黑色小圈）；

  同时，感应电场在减弱两电荷间电场的同时，试图加强远离电荷处的电场（蓝色虚线和红色虚线方向一致的位置），也就是说试图使空间的能量分布变得平均，这也符合平衡系统的原理。

  上一过程中感应电场试图使空间各点能量平均的努力，使得复合后电荷附近的磁场，不足以把两电荷重新分开到复合前的程度（单位体积内的包含的能量减弱了）。

  同时，远离该电荷对的空间中，有一定的磁场存在，如果在那儿放一电荷对的话，那儿的空间具有把这个电荷对分开到某些特定的程度的能力。

  如果不停的给原始电荷对输入能量，使得它可以维持这种振荡，则就有能量不停的传递出去，这就是天线辐射的过程。

  同时，稍远离电荷附近的空间，比更远的地方有更高的单位体积内的包含的能量，那里也存在着类似的振荡（位移电流），也在试图把能量平均到更远的空间；

  另一方面看，能量不平均的系统是不稳定的，能量集中区域总是会自动的向低能的、更稳定的状态转换，这也使得源（电荷对）的能量得以不断的辐射出去。

  复合过程：上面其实已经把辐射机理说完了，这儿在分析下复合过程，让分析更完整。

  上图为复合后的状态，由于没任何约束、以及上面分析的感应电场转移作用，复合后的磁场分布在比较大的范围内；

  一部分磁场已经脱离了电荷对的控制，或者说不能再参与把电荷对重新分开的新周期中；

  假设只有上面右图蓝色虚线内的磁场、参与把复合的电荷重新分开的任务中，则虚线外的场将成为辐射场永远脱离了该系统；

  实际上，这是理想的电偶极子模型，可以由电偶极子的公式得到图中的蓝色虚线有多大、以及虚线内的能量和虚线传输线平衡系统的破坏--辐射

  因为传输线上下导体的场、互相约束，导致场始终分布在两个导体之间，最简单的办法是把上下导体“掰开”，看下面的示意图：

  如上图，分开的两导体，不再能互相约束抵消对方的电场，远离导体的空间将有振荡电荷的电场存在；

  根据自由空间电荷对的分析知道，这种空间的电场将不停的向更远的空间“平均”，形成辐射。

  如果传输线上下导体不是全部“掰开”、而是少许分开，照样可以辐射，只是上下导体中的电荷，存在部分相互约束作用（其实约束不能完全去掉，这儿比例更大了），感应场比较集中在导体附近，从而使得远处的感应场减弱，辐射变差；

  每个电荷对的辐射效率是不变的，更多电荷对能够保证一个周期辐射更多的能量。

  对放置在自由空间的振荡电荷来说，空间是无穷大的，能量永远不可能平均，所以这种转移就会持续向更远的空间进行，所以辐射会持续进行。

  感应场总是弱化能量比较集中的地方的场、同时也加强能量比较弱的地方的场，电场和磁场是转移能量的媒介、同时也是能量的携带者。

  如果把源放在场（或者能量）比较集中的地方，不断补充因被转移而弱化的场，这个系统就能源源不断的向外辐射，这就是天线。

  让这样的系统不辐射才需要条件，条件是它们感应的场不管怎么转换，始终集中在它们周围很小的空间内。

  这需要某种约束条件，在双线传输线中、是通过两个导体中电荷的场相互作用实现的。

  这个外力抵消了能量不均匀产生的作用力、或者说抵消了试图使能量均匀分布的自发作用力。

  我们看，虽然没有介绍天线部分，通过对辐射基本机理的理解，可以很好的把天线实际的需求、和物理上的意义对应起来。

  在没有讨论天线之前，再介绍下谐振问题，因为它也和辐射的机理有很紧密的联系。

  当每个振荡周期辐射出去的能量、等于源每个周期能提供的能量时，谐振达到平衡，即：

  的概念，是一个为了理解方便等效的量，很多人容易把天线输入端口的输入阻抗混为一谈。在这样的一个过程中，每一电荷对的振荡、都有辐射；

  随着谐振的增强，每个周期参与的电荷对逐渐增多、每一周期可以辐射出去的能量也逐渐增多。

  大量的振荡电荷同时参与辐射，所以要谐振和驻波，驻波意味着不同位置的电荷、同时同方向振荡……

  非谐振状态某些时刻，源能量不能正好补充振荡电荷因辐射弱化的场，这部分能量以电场能（对应容性）或磁场能（对应感性）存储于近场；

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  1、 变压器空载运行时，铁芯中的主磁通仅由原绕组的空载电流I 0 产生，主磁通在原绕组的感应电势E 1 近似与外加电压U 1 平衡、主磁通在副绕组的感应电势E 2 等于副边端电压U 2 。在U 1 和f保持一定时，

  方向图 /

  新手求教！在vision assistant中验证图片时在图像处理画面能够正常的看到图像的处

  太赫兹波的空间电磁场分布，并在计算机上以伪彩色图形显示，这种电磁场的可视化结果为

  依据。太赫兹波是指波长范围为3μm～3mm(011～10THz)之间的电磁