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          電磁場近場和遠場的差別

          點擊次數:329 更新時間:2023-12-28

          無線電波應該稱作電磁波或者簡稱為EM波,因為無線電波包含電場和磁場。來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場,天線是信號到自由空間的轉換器和接口。

          因此,電磁場的特性變化取決于與天線的距離??勺兊碾姶艌鼋洺澐譃閮刹糠帧鼒龊瓦h場。要清楚了解二者的區別,就必須了解無線電波的傳播。



          1

          電磁波



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

          圖片

          (1) 圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個電場(a)和一個磁場(b)。電磁場均為球形且互成直角天線旁邊的磁場呈球形或弧形,特別是距離天線近的磁場。這些電磁場從天線向外發出,越向外越不明顯,特性也逐漸趨向平面。接收天線通常接收平面波。

          雖然電磁場存在于天線周圍,但他們會向外擴張(圖2),超出天線以外后,電磁場就會自動脫離為能量包獨立傳播出去。實際上電場和磁場互相產生,這樣的“獨立"波就是無線電波。

          圖片

          (2)距離天線一定范圍內,電場和磁場基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場均成直角。在(a)圖中,傳播方向和電磁場線方向成正交,即垂直紙面向內或向外。在(b)圖中,磁場線垂直紙面向外,如圖中圓圈所示。



          2

          近場



          對近場似乎還沒有正式的定義——它取決于應用本身和天線。通常,近場是指從天線開始到1個波長(λ)的距離。波長單位為米,公式如下:
          λ = 300/fMHz
          λ = 300/fMHz
          因此,從天線到近場的距離計算方法如下:
          λ/2π = 0.159λ
          λ/2π = 0.159λ
          圖3標出了輻射出的正弦波和近場、遠場。近場通常分為兩個區域,反應區和輻射區。在反應區里電場和磁場是的,并且可以單獨測量。根據天線的種類,某一種場會成為主導。例如環形天線主要是磁場,環形天線就如同變壓器的初級,因為它產生的磁場很大

          。圖片

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

          輻射區內,電磁場開始輻射,標志著遠場的開始。場的強度和天線的距離成反比(1/ r3)

          圖3所示的過渡區是指近場和遠場之間的部分(有些模型沒有定義過渡區)。圖中,遠場開始于距離為2λ的地方。



          3

          遠場



          和近場類似,遠場的起始也沒有統一的定義。有認為是2 λ,有堅持說是距離天線3 λ或10 λ以外。還有一種說法是5λ/2π,另有人認為應該根據天線的最大尺寸D,距離為 50D2/λ。

          還有人認為近場遠場的交界始于2D2/λ。也有人說遠場起始于近場消失的地方,就是前文提到的λ/2π。

          遠場是真正的無線電波。它在大氣中以3億米/秒的速度,即接近18.64萬英里/秒的速度傳播,相當于光速。電場和磁場互相支持并互相產生,信號強度和距離平方成反比(1/r2)。麥克斯韋在其著名的公式中描述了這一現象。


          4

          麥克斯韋方程組



          19世紀70年代末,在無線電波發明之前,蘇格蘭物理學家詹姆斯?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是如何相互產生和傳播的,并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。19世紀80年代末,德國物理學家海因里希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場理論。

          麥克斯韋創造了四個基本方程,表達電場、磁場和時間之間的關系。電場隨時間推移產生移動電荷,也就是電流,從而產生磁場。另一組方式是說,變化的磁場可以產生電場。天線發出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒有列出這些方程組,但你應該記得包含一些不同的方程。



          5

          應用

          遠場在空間中傳播的強度變化由Friis公式決定:
          Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
          Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

          公式中,Pr =接收功率;Pt =發射功率;Gr = 接收天線增益(功率比);Gt =發射天線增益(功率比);r=到天線的距離。公式在視線所及的無障礙開闊空間中適用。

          這里有兩個問題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比,和波長的平方成正比,也就是說,波長較長、頻率較低的電磁波傳的更遠。例如,同等的功率和天線增益下,900MHz的信號會比2.4GHz的信號傳播得更遠。這一公式也常常用它來分析現代無線應用的信號強度。

          為了準確測量信號的傳播,還必須了解天線在遠場的輻射模式。在近場的反應區里,接收天線可能會和發射天線會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,如果有特定的測量儀器,近場的輻射模式就可以準確測量。

          近場在通信領域也很有用。近場模式可以用于射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。

          RFID是條形碼的電子版,它是一個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。標簽還包含一個被動收發器,在接近“閱讀器"的時候,由閱讀器發出的很強的RF信號就會被標簽識別。閱讀器和標簽的天線都是環形天線,相當于變壓器的初級和次級。

          由標簽識別的信號經過整流濾波轉換成直流,為標簽存儲和轉發供能。發射器將代碼發送到閱讀器上,用于識別和處理。主動標簽有時會用到電池,將感應距離延長到近場以外的地方。RIFD標簽的頻率范圍各不相同,有125kHz、13.56MHz和900MHz。

          在900MHz,波長為:
          λ = 300/fMHz
          λ = 300/fMHz
          λ = 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm
          λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm

          因此根據近場距離計算公式:
          λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)
          λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (約2英寸)

          感應距離通常超過這一數字,所以這一頻率下距離實際上也延伸到了遠場。

          NFC也采用了存儲和類似于的特定代碼。電池驅動的內部轉發器可以把代碼發射到閱讀器上。NFC也使用近場,范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz,因此波長為:
          λ = 300/fMHz
          λ = 300/fMHz
          300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet
          300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

          近場距離為不超過:
          λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet
          λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

          因為電量消耗低,實際的感應距離很少超過1英尺。

          NFC是部署“電子錢包"所使用的技術。通過電子錢包,可以無需,而用支持NFC的智能手機進行付款。


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