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电磁场近场和远场的差别?

时间:2017-07-01 09:25 来源:未知 作者:admin 阅读:

无线电波应该称作电磁波或者简称为EM波,因为无线电波包含电场和磁场。来自发射器、经由天线发出的信号会产生电磁场,天线是信号到自由空间的转换器和接口。

因此,电磁场的特性变化取决于与天线的距离。可变的电磁场经常划分为两部分——近场和远场。要清楚了解二者的区别,就必须了解无线电波的传播。

电磁波

图1展示了典型的半波偶极子天线是如何产生电场和磁场的。转发后的信号被调制为正弦波,电压呈极性变化,因此在天线的各元件间生成了电场,极性每半个周期变换一次。天线元件的电流产生磁场,方向每半个周期变换一次。电磁场互为直角正交。

1.围绕着半波偶极子的电磁场包括一个电场(a)和一个磁场(b)。电磁场均为球形且互成直角。

天线旁边的磁场呈球形或弧形,特别是距离天线近的磁场。这些电磁场从天线向外发出,越向外越不明显,特性也逐渐趋向平面。接收天线通常接收平面波。

虽然电磁场存在于天线周围,但他们会向外扩张(图2),超出天线以外后,电磁场就会自动脱离为能量包独立传播出去。实际上电场和磁场互相产生,这样的“独立”波就是无线电波。

2. 距离天线一定范围内,电场和磁场基本为平面并以直角相交。注意传播方向和电磁场均成直角。在(a)图中,传播方向和电磁场线方向成正交,即垂直纸面向内或向外。在(b)图中,磁场线垂直纸面向外,如图中圆圈所示。

近场

对近场似乎还没有正式的定义--它取决于应用本身和天线。通常,近场是指从天线开始到1个波长(λ)的距离。波长单位为米,公式如下:

λ= 300/fMHz
λ= 300/fMHz

因此,从天线到近场的距离计算方法如下:

λ/2π = 0.159λ
λ/2π = 0.159λ

图3标出了辐射出的正弦波和近场、远场。近场通常分为两个区域,反应区和辐射区。在反应区里,电场和磁场是最强的,并且可以单独测量。根据天线的种类,某一种场会成为主导。例如环形天线主要是磁场,环形天线就如同变压器的初级,因为它产生的磁场很大。

3.近场和远场的边界、运行频段的波长如图所示。天线应位于正弦波左侧起始的位置。

辐射区内,电磁场开始辐射,标志着远场的开始。场的强度和天线的距离成反比(1/ r3)。

图3所示的过渡区是指近场和远场之间的部分(有些模型没有定义过渡区)。图中,远场开始于距离为2λ的地方。

远场

和近场类似,远场的起始也没有统一的定义。有认为是2 λ,有坚持说是距离天线3 λ或10 λ以外。还有一种说法是5λ/2π,另有人认为应该根据天线的最大尺寸D,距离为50D2/λ。

还有人认为近场远场的交界始于2D2/λ。也有人说远场起始于近场消失的地方,就是前文提到的λ/2π。

远场是真正的无线电波。它在大气中以3亿米/秒的速度,即接近18.64万英里/秒的速度传播,相当于光速。电场和磁场互相支持并互相产生,信号强度和距离平方成反比(1/r2)。麦克斯韦在其著名的公式中描述了这一现象。

麦克斯韦方程组

19世纪70年代末,在无线电波发明之前,苏格兰物理学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦预测出了电磁波的存在。他综合了安培、法拉第和欧姆等人的定律,制定了一套方程表达电磁场是如何相互产生和传播的,并断定电场和磁场互相依存、互相支持。19世纪80年代末,德国物理学家海因里希?赫兹证明了麦克斯韦的电磁场理论。

麦克斯韦创造了四个基本方程,表达电场、磁场和时间之间的关系。电场随时间推移产生移动电荷,也就是电流,从而产生磁场。另一组方式是说,变化的磁场可以产生电场。天线发出的电磁波在空间中自行传播。本文没有列出这些方程组,但你应该记得包含一些不同的方程。

应用

远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定:

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中,Pr =接收功率;Pt =发射功率;Gr = 接收天线增益(功率比);Gt =发射天线增益(功率比);r=到天线的距离。公式在视线所及的无障碍开阔空间中适用。

这里有两个问题需要讨论。接收功率和距离r的平方成反比,和波长的平方成正比,也就是说,波长较长、频率较低的电磁波传的更远。例如,同等的功率和天线增益下,900MHz的信号会比2.4GHz的信号传播得更远。这一公式也常常用它来分析现代无线应用的信号强度。

为了准确测量信号的传播,还必须了解天线在远场的辐射模式。在近场的反应区里,接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰,造成错误的结果。另一方面,如果有特定的测量仪器,近场的辐射模式就可以准确测量。

近场在通信领域也很有用。近场模式可以用于射频识别(RFID)和近场通信(NFC)。

RFID是条形码的电子版,它是一个内部有芯片的很薄的标签,其中芯片集成了存储和特定的电子代码,可以用作识别、最总或其他用途。标签还包含一个被动收发器,在接近“阅读器”的时候,由阅读器发出的很强的RF信号就会被标签识别。阅读器和标签的天线都是环形天线,相当于变压器的初级和次级。

由标签识别的信号经过整流滤波转换成直流,为标签存储和转发供能。发射器将代码发送到阅读器上,用于识别和处理。主动标签有时会用到电池,将感应距离延长到近场以外的地方。RIFD标签的频率范围各不相同,有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz,波长为:

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

因此根据近场距离计算公式:

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(约2英寸)

感应距离通常超过这一数字,所以这一频率下距离实际上也延伸到了远场。

NFC也采用了存储和类似于信用卡的特定代码。电池驱动的内部转发器可以把代码发射到阅读器上。NFC也使用近场,范围一般为几英寸。NFC的频率为13.56MHz,因此波长为:

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

近场距离为不超过:

λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet
λ/2π= 0.159λ= 0.148(72.6) = 11.5 英尺

因为电量消耗低,实际的感应距离很少超过1英尺。

NFC是部署“电子钱包”所使用的技术。通过电子钱包,消费者可以无需信用卡,而用支持NFC的智能手机进行付款。

参考资料

1. Cheung, W. S. and Levien, F. H., Microwaves Made Simple, Principles and Applications, Artech House Inc., 1985.
Cheung, W. S. 和Levien, F. H.,微波测量原理和应用,Artech出版社,1985
2. Occupational Safety & Health Administration, Electromagnetic Radiation: Field Memo, 1990.
职业安全与健康管理,电磁辐射:现场笔记,1990
3. Straw, R. D. (Editor), The ARRL Antenna Book, American Radio Relay League, 1997-8.
Straw R. D. (编辑),天线手册,美国无线电传播联盟,1997-8
4. Volakis, J.L., Antenna Engineering Handbook, 4th edition, McGraw-Hill, 2007.
Vokakis,J.L.,天线工程手册,第四版,McGraw-Hill出版社,2007

原文标题:What’s The Difference Between EM Near Field And Far Field?

(责任编辑:admin)

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