因此，電磁場(chǎng)的特性變化取決于與天線(xiàn)的距離?？勺兊碾姶艌?chǎng)經(jīng)常劃分為兩部分——近場(chǎng)和遠場(chǎng)。要清楚了解二者的區別，就必須了解無(wú)線(xiàn)電波的傳播。

 

電磁波

 

圖1展示了典型的半波偶極子天線(xiàn)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的。轉發(fā)后的信號被調制為正弦波，電壓呈極性變化，因此在天線(xiàn)的各元件間生成了電場(chǎng)，極性每半個(gè)周期變換一次。天線(xiàn)元件的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，方向每半個(gè)周期變換一次。電磁場(chǎng)互為直角正交。

 

 

1.圍繞著(zhù)半波偶極子的電磁場(chǎng)包括一個(gè)電場(chǎng)(a)和一個(gè)磁場(chǎng)(b)。電磁場(chǎng)均為球形且互成直角。

 

天線(xiàn)旁邊的磁場(chǎng)呈球形或弧形，特別是距離天線(xiàn)近的磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從天線(xiàn)向外發(fā)出，越向外越不明顯，特性也逐漸趨向平面。接收天線(xiàn)通常接收平面波。

 

雖然電磁場(chǎng)存在于天線(xiàn)周?chē)?，但他們?huì )向外擴張(圖2)，超出天線(xiàn)以外后，電磁場(chǎng)就會(huì )自動(dòng)脫離為能量包獨立傳播出去。實(shí)際上電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相產(chǎn)生，這樣的“獨立”波就是無(wú)線(xiàn)電波。

 

 

2.距離天線(xiàn)一定范圍內，電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場(chǎng)均成直角。在(a)圖中，傳播方向和電磁場(chǎng)線(xiàn)方向成正交，即垂直紙面向內或向外。在(b)圖中，磁場(chǎng)線(xiàn)垂直紙面向外，如圖中圓圈所示。

 

近場(chǎng)

 

對近場(chǎng)似乎還沒(méi)有正式的定義——它取決于應用本身和天線(xiàn)。通常，近場(chǎng)是指從天線(xiàn)開(kāi)始到1個(gè)波長(cháng)(λ)的距離。波長(cháng)單位為米，公式如下：

 

λ = 300/fMHz

 

因此，從天線(xiàn)到近場(chǎng)的距離計算方法如下：

 

λ/2π = 0.159λ

 

圖3標出了輻射出的正弦波和近場(chǎng)、遠場(chǎng)。近場(chǎng)通常分為兩個(gè)區域，反應區和輻射區。在反應區里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是最強的，并且可以單獨測量。根據天線(xiàn)的種類(lèi)，某一種場(chǎng)會(huì )成為主導。例如環(huán)形天線(xiàn)主要是磁場(chǎng)，環(huán)形天線(xiàn)就如同變壓器的初級，因為它產(chǎn)生的磁場(chǎng)很大。

 

　

 

3.近場(chǎng)和遠場(chǎng)的邊界、運行頻段的波長(cháng)如圖所示。天線(xiàn)應位于正弦波左側起始的位置。

 

輻射區內，電磁場(chǎng)開(kāi)始輻射，標志著(zhù)遠場(chǎng)的開(kāi)始。場(chǎng)的強度和天線(xiàn)的距離成反比(1/ r3)。

 

圖3所示的過(guò)渡區是指近場(chǎng)和遠場(chǎng)之間的部分(有些模型沒(méi)有定義過(guò)渡區)。圖中，遠場(chǎng)開(kāi)始于距離為2λ的地方。

 

遠場(chǎng)

 

和近場(chǎng)類(lèi)似，遠場(chǎng)的起始也沒(méi)有統一的定義。有認為是2λ，有堅持說(shuō)是距離天線(xiàn)3 λ或10 λ以外。還有一種說(shuō)法是5λ/2π，另有人認為應該根據天線(xiàn)的最大尺寸D，距離為 50D2/λ。

 

還有人認為近場(chǎng)遠場(chǎng)的交界始于2D2/λ。也有人說(shuō)遠場(chǎng)起始于近場(chǎng)消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

 

遠場(chǎng)是真正的無(wú)線(xiàn)電波。它在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬(wàn)英里/秒的速度傳播，相當于光速。電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相支持并互相產(chǎn)生，信號強度和距離平方成反比(1/r2)。麥克斯韋在其著(zhù)名的公式中描述了這一現象。

 

麥克斯韋方程組

 

19世紀70年代末，在無(wú)線(xiàn)電波發(fā)明之前，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋預測出了電磁波的存在。他綜合了安培、法拉第和歐姆等人的定律，制定了一套方程表達電磁場(chǎng)是如何相互產(chǎn)生和傳播的，并斷定電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相依存、互相支持。19世紀80年代末，德國物理學(xué)家海因里希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。

 

麥克斯韋創(chuàng )造了四個(gè)基本方程，表達電場(chǎng)、磁場(chǎng)和時(shí)間之間的關(guān)系。電場(chǎng)隨時(shí)間推移產(chǎn)生移動(dòng)電荷，也就是電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。另一組方式是說(shuō)，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。天線(xiàn)發(fā)出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒(méi)有列出這些方程組，但你應該記得包含一些不同的方程。

 

應用

 

遠場(chǎng)在空間中傳播的強度變化由Friis公式?jīng)Q定：

 

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

 

公式中，Pr =接收功率;Pt =發(fā)射功率;Gr = 接收天線(xiàn)增益(功率比);Gt =發(fā)射天線(xiàn)增益(功率比);r=到天線(xiàn)的距離。公式在視線(xiàn)所及的無(wú)障礙開(kāi)闊空間中適用。

 

這里有兩個(gè)問(wèn)題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比，和波長(cháng)的平方成正比，也就是說(shuō)，波長(cháng)較長(cháng)、頻率較低的電磁波傳的更遠。例如，同等的功率和天線(xiàn)增益下，900MHz的信號會(huì )比2.4GHz的信號傳播得更遠。這一公式也常常用它來(lái)分析現代無(wú)線(xiàn)應用的信號強度。

 

為了準確測量信號的傳播，還必須了解天線(xiàn)在遠場(chǎng)的輻射模式。在近場(chǎng)的反應區里，接收天線(xiàn)可能會(huì )和發(fā)射天線(xiàn)會(huì )由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。另一方面，如果有特定的測量?jì)x器，近場(chǎng)的輻射模式就可以準確測量。

 

近場(chǎng)在通信領(lǐng)域也很有用。近場(chǎng)模式可以用于射頻識別(RFID)和近場(chǎng)通信(NFC)。

 

RFID是條形碼的電子版，它是一個(gè)內部有芯片的很薄的標簽，其中芯片集成了存儲和特定的電子代碼，可以用作識別、最總或其他用途。標簽還包含一個(gè)被動(dòng)收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時(shí)候，由閱讀器發(fā)出的很強的RF信號就會(huì )被標簽識別。閱讀器和標簽的天線(xiàn)都是環(huán)形天線(xiàn)，相當于變壓器的初級和次級。

 

由標簽識別的信號經(jīng)過(guò)整流濾波轉換成直流，為標簽存儲和轉發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上，用于識別和處理。主動(dòng)標簽有時(shí)會(huì )用到電池，將感應距離延長(cháng)到近場(chǎng)以外的地方。RIFD標簽的頻率范圍各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

 

在900MHz，波長(cháng)為：

 

λ = 300/fMHz

 

λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm

 

因此根據近場(chǎng)距離計算公式：

 

λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (約2英寸)

 

感應距離通常超過(guò)這一數字，所以這一頻率下距離實(shí)際上也延伸到了遠場(chǎng)。

 

NFC也采用了存儲和類(lèi)似于信用卡的特定代碼。電池驅動(dòng)的內部轉發(fā)器可以把代碼發(fā)射到閱讀器上。NFC也使用近場(chǎng)，范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長(cháng)為：

 

λ = 300/fMHz

 

300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

 

近場(chǎng)距離為不超過(guò)：

 

λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

 

因為電量消耗低，實(shí)際的感應距離很少超過(guò)1英尺。

 

NFC是部署“電子錢(qián)包”所使用的技術(shù)。通過(guò)電子錢(qián)包，消費者可以無(wú)需信用卡，而用支持NFC的智能手機進(jìn)行付款。

 

電磁場(chǎng)的遠場(chǎng)和近場(chǎng)劃分

 

電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周?chē)臻g及輻射源之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱(chēng)為感應場(chǎng);另一部分電磁場(chǎng)能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱(chēng)為輻射場(chǎng)。

 

一般情況下，電磁輻射場(chǎng)根據感應場(chǎng)和輻射場(chǎng)的不同而區分為近區場(chǎng)(感應場(chǎng))和遠區場(chǎng)(輻射場(chǎng))。由于遠場(chǎng)和近場(chǎng)的劃分相對復雜，要具體根據不同的工作環(huán)境和測量目的進(jìn)行劃分，一般而言，以場(chǎng)源為中心，在三個(gè)波長(cháng)范圍內的區域，通常稱(chēng)為近區場(chǎng)，也可稱(chēng)為感應場(chǎng);在以場(chǎng)源為中心，半徑為三個(gè)波長(cháng)之外的空間范圍稱(chēng)為遠區場(chǎng)，也可稱(chēng)為輻射場(chǎng)。

 

近區場(chǎng)通常具有如下特點(diǎn)：

 

近區場(chǎng)內，電場(chǎng)強度與磁場(chǎng)強度的大小沒(méi)有確定的比例關(guān)系。即：E¹377H。一般情況下，對于電壓高電流小的場(chǎng)源(如發(fā)射天線(xiàn)、饋線(xiàn)等)，電場(chǎng)要比磁場(chǎng)強得多，對于電壓低電流大的場(chǎng)源(如某些感應加熱設備的模具)，磁場(chǎng)要比電場(chǎng)大得多。

 

近區場(chǎng)的電磁場(chǎng)強度比遠區場(chǎng)大得多。從這個(gè)角度上說(shuō)，電磁防護的重點(diǎn)應該在近區場(chǎng)。

 

近區場(chǎng)的電磁場(chǎng)強度隨距離的變化比較快，在此空間內的不均勻度較大。

 

遠區場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下：

 

在遠區場(chǎng)中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，這種場(chǎng)輻射強度的衰減要比感應場(chǎng)慢得多。

 

在遠區場(chǎng)，電場(chǎng)強度與磁場(chǎng)強度有如下關(guān)系：在國際單位制中，E=377H，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的運行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。

 

遠區場(chǎng)為弱場(chǎng)，其電磁場(chǎng)強度均較小

 

近區場(chǎng)與遠區場(chǎng)劃分的意義：

 

通常，對于一個(gè)固定的可以產(chǎn)生一定強度的電磁輻射源來(lái)說(shuō)，近區場(chǎng)輻射的電磁場(chǎng)強度較大，所以，應該格外注意對電磁輻射近區場(chǎng)的防護。對電磁輻射近區場(chǎng)的防護，首先是對作業(yè)人員及處在近區場(chǎng)環(huán)境內的人員的防護，其次是對位于近區場(chǎng)內的各種電子、電氣設備的防護。而對于遠區場(chǎng)，由于電磁場(chǎng)強較小，通常對人的危害較小。

 

對我們最經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長(cháng)范圍從10米到0.1米。

 

 

場(chǎng)區的具體劃分

 

場(chǎng)強與距離的關(guān)系

 

以r表示測量點(diǎn)到輻射源的距離，則在該點(diǎn)的感應場(chǎng)強度與r2至r3成反比，輻射場(chǎng)強度與r成反比(因此，輻射場(chǎng)強度與距離r的乘積與r無(wú)關(guān)，稱(chēng)為場(chǎng)強距離乘積)。在靠近輻射源的地方，隨著(zhù)距離r的減小，感應場(chǎng)強度急劇增加。

 

近場(chǎng)與遠場(chǎng)的劃分

 

當測量距離r=λ/2π≈λ/6時(shí)，感應場(chǎng)強度與輻射場(chǎng)強度相當。在距離輻射源比較近(r<λ/6)的地方，感應場(chǎng)強度大于輻射場(chǎng)強度，稱(chēng)為近場(chǎng)(區)或感應場(chǎng)區，較遠的地方(r>λ/6)則相反，輻射場(chǎng)占優(yōu)勢，稱(chēng)為遠場(chǎng)(區)或輻射場(chǎng)區。近場(chǎng)區和遠場(chǎng)區的提法被廣為使用，但在不同的應用領(lǐng)域，其劃分界限不統一。也稱(chēng)為近區場(chǎng)和遠區場(chǎng)。

 

一般當r大于3λ時(shí)，可忽略感應場(chǎng)的成份，認為處于遠場(chǎng)(區)。

 

當輻射源尺度與波長(cháng)可比擬時(shí)，還可將輻射場(chǎng)區分為輻射近場(chǎng)區和輻射遠場(chǎng)區。輻射遠場(chǎng)區的定義是，“輻射場(chǎng)強度角分布基本上與距天線(xiàn)的距離無(wú)關(guān)的場(chǎng)區”，在輻射遠場(chǎng)區，將天線(xiàn)上各點(diǎn)到測量點(diǎn)的連線(xiàn)當作是平行的，所引入的誤差小于一定的限度。如天線(xiàn)尺寸為D，則遠場(chǎng)區距離應大于2D2/λ。當輻射源尺寸D的數量級小于波長(cháng)λ時(shí)(2D2/λ<λ/6，D<λ/3.5)，輻射近場(chǎng)區范圍小于感應場(chǎng)區，輻射場(chǎng)區全部是輻射遠場(chǎng)區。

 

如果測量天線(xiàn)為微波段的面天線(xiàn)，而且尺寸較大，所測輻射源與測量天線(xiàn)的距離大于2D2/λ認為是輻射遠場(chǎng)區。

 

由以上公式可見(jiàn)，近場(chǎng)與遠場(chǎng)的劃分界限與輻射源頻率(波長(cháng))有關(guān)。

 

 

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