Können Antennen als Lichtquellen angesehen werden?

Offensichtlich sind Antennen nichts anderes als ein Gerät, um die elektrische Energie durch elektromagnetische Wellen abzustrahlen.

Da sichtbares Licht auch nur ein bestimmter Frequenzbereich ist, ist es nicht einfacher, sich Antennen als unterschiedliche Formen von "Lichtquellen" vorzustellen?

Wie eine Richtantenne eine Taschenlampe ist, bedeutet Hochleistung Flutlicht?

Warum können wir dies nicht einfach in der Partikelnatur angeben, da es mathematisch viel einfacher ist als die Wellentheorie?

In einigen Fällen können Sie: Wenn Sie eine große Richtantenne haben, kann diese aus großer Entfernung einfach wie eine strahlerzeugende "Taschenlampe" für Funkwellen aussehen. Das bricht sehr schnell zusammen, wenn die Wellenlängen nicht viel, viel kleiner sind als alle physikalischen Objekte, die mit ihnen interagieren.

Wir verwenden sogar spezifische Ausdrücke: Wenn die Wellenlängen im Vergleich zu allen Objekten, auf die sie treffen, sehr klein sind und einige einfache "makroskopische" Formeln ihr Verhalten beschreiben können, sprechen wir von optischer (Strahlen-) Ausbreitung . Im Umgang mit RF tun wir das nicht. RF nicht verhalten wie das Licht, und somit die Nützlichkeit der Analogie nicht existiert. Nein, wir können nicht "mathematisch viel einfacher" sein, weil das einfachere Modell dessen, was Sie als Lichtausbreitung kennen, einfach nicht funktioniert¹.

In den meisten Fällen können Sie Antennen nicht mit Lichtquellen vergleichen.

Zunächst einmal die Analogie mit Lichtquellen nicht klappt nicht voll: Ihre Taschenlampe arbeiten mit DC von einer Batterie kommen. Ihre Wellen haben Frequenzen über 10¹⁵ Hz. Bei einer Antenne beruht das Verfahren zum Erzeugen der Welle darauf, dass der in die Antenne fließende Strom bereits die zu emittierende Frequenz aufweist und die Antenne nur als Impedanzanpassungskomponente zwischen Wellenleiter und freiem Raum wirkt.

Dann hat die von einer Antenne ausgesendete Welle eine Art Wellenfront, was eine kohärente Phase impliziert! Ihre LED oder Glühbirne hat das überhaupt nicht.

Der Lichtstrahl einer Taschenlampe unterscheidet sich also physikalisch stark vom Strahl einer Antenne.

Sie haben recht, Antennen und Lichtquellen sind gleichwertige Konstrukte. Die Mathematik der Lichtquellen ist jedoch nicht so einfach, wie Sie zu denken scheinen.

Der Grund, warum die meisten Antworten sie bisher als unterschiedlich ansehen, ist nur eine Frage des Maßstabs. Während wir üblicherweise "HF" -Wellenlängen von 1 mm oder mehr (300 GHz) und "Licht" -Wellenlängen von 1 um und weniger (300 THz) nennen würden, mit einigen Zugeständnissen für das, was dazwischen liegt (ist es "Licht mit niedrigem Infrarot" oder "Mikrowellen") ?), die Gleichungen, die ihr Verhalten bestimmen, sind genau die gleichen: Maxwells .

Das Problem ist, dass solch große Skalendifferenzen Konsequenzen für die Interaktion dieser mit der Welt haben. Während diskrete Komponenten interagieren können, um ein 1-m-HF-Signal zu erzeugen, müssen Sie die Wechselwirkung zwischen Elektronen und deren Energieniveaus berücksichtigen, um ein 100-nm-Lichtsignal zu erzeugen.

• Während sich ein dicht fokussiertes 10 m-HF-Signal scheinbar ohne Wechselwirkung um eine 1 m-Metallscheibe ausbreitet, wird ein eng fokussierter 1 um-Lichtstrahl in seinen Spuren vollständig gestoppt. Während der erste durch einen maschengroßen Faradayschen Käfig mit 10 cm Öffnungen gestoppt wird, passiert der zweite ungehindert. Materialien, die für einen fast vollständig transparent sind, stoppen den anderen vollständig und umgekehrt.

• Während Sie eine ziemlich massive Antenne benötigen, um einen 10-cm-HF-Strahl zu fokussieren, um eine Leistung von 90% in einem 1-m-Punkt bei 1 km zu erreichen, können die entsprechenden Linsen, um dasselbe mit 1-μm-Licht zu tun, in eine Hand passen.

• Während Sie atmosphärische Effekte (die Wechselwirkung der HF-Energie mit Luftmolekülen) unterhalb von 1 GHz meist ignorieren können, werden atmosphärische Bedingungen bald darüber dominieren und bei Lichtfrequenzen zum Haupteffekt werden.

• Menschen, die optische Linsen entwerfen, sind sich der Probleme bewusst, die mit Breitband-Signalen verbunden sind (sichtbares Licht nimmt eine ganze Oktave von 380 bis 740 Nanometer oder 430 bis 770 THz ein). Dies entspricht den Problemen, mit denen Breitband-HF-Entwickler konfrontiert sind, jedoch überspannt Breitband-HF selten sogar 5% der Trägerfrequenz.

Die meisten Ingenieure beschäftigen sich mit Modellen, die das vorliegende Problem erheblich vereinfachen und einen Gültigkeitsbereich haben (alle Modelle sind falsch, einige Modelle sind nützlich). Aus diesem Grund beschäftigen wir uns in den unteren Bereichen der HF mit KCL-, KVL- und Ohmschen Gesetzen in unseren Schaltkreisen, anstatt zu versuchen, sie durch direkte Anwendung der Maxwellschen Gleichungen zu lösen. Wenn Sie jedoch die Frequenz erhöhen, müssen Sie auf S-Parameter und Übertragungsleitungen umschalten, da sich die Drähte nicht mehr wie bloße Drähte verhalten. Gehen Sie noch höher in die "Licht" -Domäne, und jetzt wird es ratsam, Photonen und Elektronenenergie-Übergangsebenen zu verwenden.

Alle diese Modelle sind jedoch nur Vereinfachungen der Maxwellschen Gleichungen mit ihrem engen Anwendungsbereich . Aber wenn wir das wissen und wissen, wo die Modelle versagen, können wir unsere Designintuition verbessern.

Erstens bedeutet "Licht" für sich genommen normalerweise "sichtbares Licht". Antennen senden kein sichtbares Licht aus.

Wir können genauer sagen, dass Licht EM-Strahlung ist und Antennen EM-Strahlung aussenden.

Warum können wir dies nicht einfach in der Partikelnatur angeben, da es mathematisch viel einfacher sein wird?

Ist es? Sie haben in Ihrem Beitrag keine Mathematik zitiert. Und für die meisten Zwecke ist das Wellenmuster das, was wir wollen; es sagt uns, wo die Funkwellen am stärksten empfangen werden können. Bei den meisten Kommunikationsfrequenzen sind Radiowellen keine lichtähnlichen "Strahlen", sie werden stark gebeugt.

In einigen Fällen kann man. Und in unserer Welt der Meter lässt sich Licht sicher als Strahl sehr zuverlässig approximieren. Aber auch eine EM-Welle in der Größenordnung von 1000000000 mit Objekten, die sich nur in vielen tausend Kilometern befinden.

Aber für die Optik in unserer Welt sieht das Leben nur einfach aus. Wenn es sich um Licht handelt, das sich durch mikrometergroße Strukturen, Arrays oder Leiter ausbreitet, nützt die Strahlennäherung nichts. (Google-Plasmonik, Photonik oder photonische Kristalle usw. Sie verwenden Moden, Resonanzen und mehr Maxwellsche Gleichungen.) Ebenso wenig ist es möglich, HF-Phänomene in unserer Welt genau zu erklären.

Warum können wir dies nicht einfach in der Partikelnatur angeben, da es mathematisch viel einfacher ist als die Wellentheorie?

Wenn wir sagen, dass ein Photon ein "Teilchen" von Lichtenergie ist, meinen wir, dass nur diskrete Energiemengen von dem elektromagnetischen Feld absorbiert oder in dieses emittiert werden können.

Diese Partikel bewegen sich jedoch nicht nach den Regeln der Ballistik, die für Kugeln oder Billardkugeln gelten. Sie bewegen sich nach einer Wellengleichung, die im Wesentlichen der Wellengleichung entspricht, die die klassische elektromagnetische Ausbreitung beschreibt.

Hier gibt es also kein kostenloses Mittagessen. Elektromagnetische "Teilchen" sind mathematisch genauso komplex wie die Wellen, die sie ersetzen.

Antennen können als Lichtquelle behandelt werden, aber sie senden auf andere Weise aus. Wenn Sie eine normale HF-Antenne in Betracht ziehen, strahlen diese kein sichtbares Licht aus, das Informationen enthält, da das Licht eine viel höhere Frequenz als die Antennenresonanzfrequenz aufweist. Eine typische HF-Antenne (3 kHz und 300 GHz) ist aufgrund dieser Größenfehlanpassung einfach zu groß, um sichtbares Licht (430–770 THz) effizient zu emittieren. Aber es ist mit einigen Antennen wie plasmonischen Nanoantennen möglich. Von mehreren Geräten, die kontrolliertes sichtbares Licht aussenden, sind plasmonische Nanoantennen den herkömmlichen Radioantennen am nächsten.