Можно ли рассматривать антенны как источники света?

Очевидно, что антенны - это не что иное, как устройство для излучения электрической энергии с помощью электромагнитных волн.

Поскольку видимый свет - это просто определенный диапазон частот, не проще ли представить антенны как источники света разных форм?

Как направленная антенна - ручной факел, высокая мощность означает прожекторы?

Почему мы не можем просто сформулировать это в природе частиц, поскольку математически это будет намного проще, чем волновая теория?

В некоторых случаях вы можете: Если у вас большая направленная антенна, она может очень издалека выглядеть просто как «фонарь», генерирующий лучи, для радиоволн. Это ломается очень быстро, если длины волн не намного, намного меньше, чем все физические объекты, взаимодействующие с ними.

Мы даже используем конкретные термины: если длины волн очень малы по сравнению со всеми объектами, которые они встречают, и несколько простых «макроскопических» формул могут описать их поведение, мы говорим об оптическом (лучевом) распространении . При работе с РФ мы этого не делаем; RF не ведет себя как свет, и, следовательно, полезность аналогии не существует. Итак, нет, мы не можем быть «намного проще математически», потому что более простая модель того, что вы знаете как распространение света, просто не работает ».

В большинстве случаев вы не можете сравнить антенны с источниками света.

Прежде всего, аналогия с источниками света работает не полностью: ваш фонарик работает от постоянного тока от батареи. Ваши выходящие волны имеют частоты выше 10 Гц. В антенне способ генерации волны основан на токе, поступающем в антенну, уже имеющую излучаемую частоту, и антенне, действующей как компонент согласования импедансов между проводником волны и свободным пространством.

Тогда волна, излучаемая антенной, имеет своего рода волновой фронт, что подразумевает когерентную фазу! У вашего светодиода или лампочки такого нет вообще.

Таким образом, луч света от факела просто физически сильно отличается от луча от антенны.

Вы правы, антенны и источники света являются эквивалентными конструкциями. Но математика источников света не так проста, как вы думаете.

Причина, по которой большинство ответов до сих пор считают их разными, является лишь вопросом масштаба. В то время как мы обычно называем «РЧ» длины волн 1 мм или выше (300 ГГц) и «световые» длины волн 1 мкм и ниже (300 ТГц), с некоторой уступкой для того, что находится между (это «слабый инфракрасный свет» или «микроволны») ?), уравнения, которые управляют их поведением, точно такие же: уравнения Максвелла .

Проблема в том, что такая большая разница в масштабах имеет последствия для их взаимодействия с миром. В то время как у вас могут быть отдельные компоненты, взаимодействующие для генерации радиочастотного сигнала 1 м, для генерации светового сигнала 100 нм вы должны учитывать взаимодействие между электронами и их энергетическими уровнями.

• В то время как высокочастотный радиосигнал длиной 10 м будет распространяться вокруг металлического диска длиной 1 м без видимого взаимодействия, узкопрофильный луч света толщиной 1 мкм будет полностью остановлен на своих дорожках. В то время как первый будет остановлен сетчатой ​​клеткой Фарадея с 10-сантиметровыми отверстиями, второй пройдет беспрепятственно. Материалы, которые почти полностью прозрачны для одного, полностью остановят другого, и наоборот.

• В то время как вам понадобится довольно массивная антенна для фокусировки радиочастотного луча 10 см для достижения 90% мощности на расстоянии 1 м на расстоянии 1 км, эквивалентные линзы, чтобы сделать то же самое при освещенности 1 мкм, могут поместиться в одной руке.

• Хотя вы можете в основном игнорировать атмосферные эффекты (взаимодействие радиочастотной энергии с молекулами воздуха) ниже 1 ГГц или около того, атмосферные условия вскоре будут доминировать над этим и станут основным эффектом на световых частотах.

• Люди, которые проектируют оптические линзы, хорошо осведомлены о проблемах, связанных с широкополосными сигналами (видимый свет занимает целую октаву от 380 до 740 нанометров или 430–770 ТГц). Это эквивалентно проблемам, с которыми сталкиваются разработчики широкополосной радиочастотной связи, однако широкополосная радиочастотная связь редко охватывает даже 5% несущей частоты.

Большинство инженерных разработок имеют дело с моделями, моделями, которые значительно упрощают проблему и имеют диапазон действия (все модели ошибочны, некоторые модели полезны). Вот почему в нижних диапазонах RF мы имеем дело с законами KCL, KVL и Ома в наших цепях вместо того, чтобы пытаться решить их прямым применением уравнений Максвелла. Но увеличьте частоту, и теперь вам нужно переключиться на s-параметры и линии передачи, поскольку провода перестают вести себя как простые провода. Поднимитесь еще выше, в область «света», и теперь использование фотонов и уровней перехода энергии электронов становится целесообразным.

Но все эти модели являются лишь упрощением уравнений Максвелла с их узкой областью применимости . Но знание этого и того, где модели терпят неудачу, может помочь нам понять нашу дизайнерскую интуицию.

Во-первых, «свет» сам по себе обычно означает «видимый свет». Антенны не излучают видимый свет.

Мы можем более правильно сказать, что свет - это электромагнитное излучение, а антенны излучают электромагнитное излучение.

Почему мы не можем просто сформулировать это в природе частиц, поскольку математически это будет намного проще

Это? Вы не процитировали математику в своем посте. И для большинства целей волновая модель - это то, что мы хотим; это говорит нам, где радиоволны могут быть получены наиболее сильно. Для большинства частот связи радиоволны не являются светоподобным «лучом», они сильно рассеивают.

В некоторых случаях можно. И, конечно же, в нашем мире метров свет может быть очень надежно приближен к лучу. Но так может ЭМ волна в масштабах 1000000000, с объектами, которые находятся всего во многих тысячах километров.

Но жизнь выглядит просто для оптики в нашем мире. Когда нам приходится иметь дело со светом, распространяющимся через структуры, массивы или проводники микрометрового размера, приближение лучей бесполезно. (Google плазмоника, фотоника или фотонные кристаллы и т. Д. Они используют моды, резонансы, больше максвелловских уравнений.) Точно так же, как ему не хватает силы для точного объяснения радиочастотных явлений в нашем мире.

Почему мы не можем просто сформулировать это в природе частиц, поскольку математически это будет намного проще, чем волновая теория?

Когда мы говорим, что фотон является «частицей» световой энергии, мы имеем в виду, что только отдельные количества энергии могут поглощаться или излучаться в электромагнитное поле.

Но эти частицы не движутся в соответствии с правилами баллистики, которые применяются к пулям или бильярдным шарам. Они движутся в соответствии с волновым уравнением, которое по существу совпадает с волновым уравнением, описывающим классическое электромагнитное распространение.

Так что здесь нет бесплатного обеда. Электромагнитные «частицы» так же математически сложны, как и волны, которые они заменяют.

Антенны можно рассматривать как источник света, но он излучает по-другому. Если вы рассматриваете обычную радиочастотную антенну, то они не излучают видимый свет, который несет информацию, потому что свет имеет гораздо более высокую частоту, чем резонирующая частота антенны. Типичная радиочастотная антенна (3 кГц и 300 ГГц) просто слишком велика для эффективного излучения видимого света (430–770 ТГц) из-за такого несоответствия размеров. Но это возможно с некоторыми антеннами, такими как плазмонные наноантенны. Из нескольких устройств, контролирующих излучение видимого света, плазмонные наноантенны наиболее близки к традиционным радиоантеннам.