Les antennes peuvent-elles être considérées comme des sources de lumière?

Il est clair que les antennes ne sont rien d'autre qu'un dispositif pour rayonner l'énergie électrique à travers les ondes électromagnétiques.

Puisque la lumière visible est aussi simplement une certaine gamme de fréquences, n'est-il pas plus facile de considérer les antennes comme différentes formes de sources "lumineuses"?

Comme une antenne directionnelle est une torche à main, une puissance élevée signifie des projecteurs?

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement énoncer cela dans la nature des particules, car ce sera beaucoup plus simple mathématiquement que la théorie des ondes?

Dans certains cas, vous pouvez: Si vous avez une grande antenne directionnelle, elle pourrait, de très loin, ressembler simplement à une "lampe de poche" génératrice de faisceau pour les ondes radio. Cela se décompose très rapidement si les longueurs d'onde ne sont pas beaucoup, beaucoup plus petites que tous les objets physiques interagissant avec eux.

Nous utilisons même des termes spécifiques: si les longueurs d'onde sont très petites par rapport à tous les objets qu'ils rencontrent et que quelques formules «macroscopiques» simples peuvent décrire leur comportement, on parle de propagation optique (de rayons) . En matière de RF, nous ne le faisons pas; Les RF ne se comportent pas comme la lumière, et donc, l'utilité de l'analogie n'existe pas. Donc, non, nous ne pouvons pas être "beaucoup plus simples mathématiquement", car le modèle plus simple de ce que vous appelez la propagation de la lumière ne fonctionne tout simplement pas¹.

Dans la plupart des cas, vous ne pouvez pas comparer les antennes aux sources lumineuses.

Tout d'abord, l'analogie avec les sources lumineuses ne fonctionne pas complètement: votre lampe de poche fonctionne avec du courant continu provenant d'une batterie. Vos ondes qui sortent ont des fréquences au-delà de 10¹⁵ Hz. Dans une antenne, la méthode de génération de l'onde repose sur le courant entrant dans l'antenne ayant déjà la fréquence à émettre, et l'antenne agissant simplement comme une composante d'adaptation d'impédance entre le conducteur d'onde et l'espace libre.

Ensuite, l'onde émise par une antenne a une sorte de front d'onde, ce qui implique une phase cohérente! Votre LED ou ampoule n'a pas du tout cela.

Ainsi, le faisceau lumineux d'une torche est tout simplement physiquement très différent du faisceau d'une antenne.

Vous avez raison, les antennes et les sources lumineuses sont des constructions équivalentes. Mais les mathématiques des sources lumineuses ne sont pas aussi simples que vous semblez le penser.

La raison pour laquelle la plupart des réponses les considèrent jusqu'à présent comme différentes n'est qu'une question d'échelle. Alors que nous appellerions communément des longueurs d'onde "RF" de 1 mm ou plus (300 GHz) et des longueurs d'onde "légères" de 1 µm et moins (300 THz), avec une certaine concession pour ce qui se situe entre les deux (est-ce une "lumière à faible infrarouge" ou des "micro-ondes" ?), les équations qui régissent leur comportement sont exactement les mêmes: celle de Maxwell .

Le problème est que de si grandes différences d'échelles ont des conséquences sur la façon dont celles-ci interagissent avec le monde. Bien que des composants discrets puissent interagir pour générer un signal RF de 1 m, pour générer un signal lumineux de 100 nm, vous devez tenir compte de l'interaction entre les électrons et leurs niveaux d'énergie.

• Alors qu'un signal RF étroitement focalisé de 10 m se propage autour d'un disque métallique de 1 m sans apparemment aucune interaction, un faisceau lumineux de 1 µm à focalisation étroite sera complètement arrêté sur ses traces. Alors que la première serait arrêtée par une cage de Faraday en maille avec des ouvertures de 10 cm, la seconde passera sans entrave. Les matériaux qui sont presque complètement transparents pour l'un arrêteront complètement l'autre et vice versa.

• Alors que vous auriez besoin d'une antenne plutôt massive pour focaliser un faisceau RF de 10 cm pour atteindre 90% de puissance dans un spot de 1 m à 1 km, les objectifs équivalents pour faire de même avec une lumière de 1 µm pourraient tenir dans une main.

• Bien que vous puissiez surtout ignorer les effets atmosphériques (l'interaction de l'énergie RF avec les molécules d'air) en dessous de 1 GHz environ, les conditions atmosphériques domineront bientôt au-dessus de cela et deviendront l'effet principal aux fréquences lumineuses.

• Les personnes qui conçoivent des lentilles optiques sont bien conscientes des problèmes liés aux signaux à large bande (la lumière visible occupe une octave entière de 380 à 740 nanomètres, ou 430–770 THz). Ceux-ci sont équivalents aux problèmes auxquels les concepteurs RF à large bande sont confrontés, mais les RF à large bande couvrent rarement même 5% de la fréquence porteuse.

La majeure partie de l'ingénierie porte sur des modèles, des modèles qui simplifient considérablement le problème en question et ont une plage de validité (tous les modèles sont faux, certains modèles sont utiles). C'est pourquoi dans les gammes inférieures de RF, nous traitons les lois de KCL, KVL et d'Ohm dans nos circuits au lieu d'essayer de les résoudre par application directe des équations de Maxwell. Mais allez plus haut en fréquence et maintenant vous devez passer aux paramètres s et aux lignes de transmission car les fils cessent de se comporter comme de simples fils. Allez encore plus haut, dans le domaine "léger", et maintenant il est conseillé d'utiliser des niveaux de transition énergétique de photons et d'électrons.

Mais tous ces modèles ne sont que des simplifications des équations de Maxwell avec leur domaine d'applicabilité étroit . Mais sachant cela et où les modèles échouent, peut aider à perfectionner notre intuition de conception.

Premièrement, la «lumière» seule signifie généralement «lumière visible». Les antennes n'émettent pas de lumière visible.

Nous pouvons dire plus correctement que la lumière est un rayonnement EM et que les antennes émettent un rayonnement EM.

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement déclarer cela dans la nature des particules, car ce sera beaucoup plus simple mathématiquement

C'est ça? Vous n'avez cité aucun calcul dans votre message. Et pour la plupart des objectifs, le modèle de vague est ce que nous voulons; il nous indique où les ondes radio peuvent être reçues le plus fortement. Pour la plupart des fréquences de communication, les ondes radio ne sont pas un "faisceau" lumineux, elles diffractent beaucoup.

Dans certains cas, on peut. Et sûrement dans notre monde de mètres, la lumière peut être approchée de manière très fiable comme un rayon. Mais il en va de même pour une onde électromagnétique aux échelles de 1000000000, avec des objets qui ne sont qu'à plusieurs milliers de kilomètres.

Mais, la vie ne semble simple que pour l'optique dans notre monde. Lorsque nous devons traiter la lumière se propageant à travers des structures, des réseaux ou des conducteurs de taille micrométrique, l'approximation des rayons est inutile. (Google plasmonique, photonique ou cristaux photoniques, etc. Ils utilisent des modes, des résonances, plus d'équations maxwelliennes.) Tout comme il n'a pas le pouvoir d'expliquer les phénomènes RF avec précision dans notre monde.

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement énoncer cela dans la nature des particules, car ce sera beaucoup plus simple mathématiquement que la théorie des ondes?

Lorsque nous disons qu'un photon est une "particule" d'énergie lumineuse, nous voulons dire que seules des quantités discrètes d'énergie peuvent être absorbées ou émises dans le champ électromagnétique.

Mais ces particules ne se déplacent pas selon les règles de balistique qui s'appliquent aux balles ou aux balles de billard. Ils se déplacent selon une équation d'onde qui est essentiellement la même que l'équation d'onde qui décrit la propagation électromagnétique classique.

Il n'y a donc pas de déjeuner gratuit ici. Les "particules" électromagnétiques sont tout aussi mathématiquement complexes que les ondes qu'elles remplacent.

Les antennes peuvent être traitées comme une source de lumière, mais elles émettent d'une manière différente. Si vous envisagez une antenne RF normale, celles-ci ne rayonnent pas de lumière visible qui transporte des informations car la lumière a une fréquence beaucoup plus élevée que la fréquence de résonance de l'antenne. Une antenne RF typique (3 KHz et 300 GHz) est tout simplement trop grande pour émettre efficacement de la lumière visible (430–770 THz) en raison de cette disparité de taille. Mais c'est possible avec certaines antennes comme les nanoantennas plasmoniques. Sur plusieurs appareils qui émettent de la lumière visible de manière contrôlée, les nanoantennes plasmoniques sont les plus proches des antennes radio traditionnelles.