快速了解天線的近場遠(yuǎn)場的差別

無線電波應(yīng)該稱作電磁波或者簡稱為EM波,因?yàn)闊o線電波包含電場和磁場。來自發(fā)射器、經(jīng)由天線發(fā)出的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁場,天線是信號(hào)到自由空間的轉(zhuǎn)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?jīng)常劃分為兩部分——近場和遠(yuǎn)場。要清楚了解二者的區(qū)別,就必須了解無線電波的傳播。

圖1展示了典型的半波偶極子天線是如何產(chǎn)生電場和磁場的。轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)被調(diào)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(gè)周期變換一次。天線元件的電流產(chǎn)生磁場,方向每半個(gè)周期變換一次。電磁場互為直角正交。

1.圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個(gè)電場(a)和一個(gè)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(fā)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(huì)向外擴(kuò)張(圖2),超出天線以外后,電磁場就會(huì)自動(dòng)脫離為能量包獨(dú)立傳播出去。實(shí)際上電場和磁場互相產(chǎn)生,這樣的“獨(dú)立”波就是無線電波。

2. 距離天線一定范圍內(nèi),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(nèi)或向外。在(b)圖中,磁場線垂直紙面向外,如圖中圓圈所示。

對(duì)近場似乎還沒有正式的定義--它取決于應(yīng)用本身和天線。通常,近場是指從天線開始到1個(gè)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(jì)算方法如下:

λ/2π = 0.159λ
λ/2π = 0.159λ

圖3標(biāo)出了輻射出的正弦波和近場、遠(yuǎn)場。近場通常分為兩個(gè)區(qū)域,反應(yīng)區(qū)和輻射區(qū)。在反應(yīng)區(qū)里,電場和磁場是最強(qiáng)的,并且可以單獨(dú)測(cè)量。根據(jù)天線的種類,某一種場會(huì)成為主導(dǎo)。例如環(huán)形天線主要是磁場,環(huán)形天線就如同變壓器的初級(jí),因?yàn)樗a(chǎn)生的磁場很大。

3.近場和遠(yuǎn)場的邊界、運(yùn)行頻段的波長如圖所示。天線應(yīng)位于正弦波左側(cè)起始的位置。

輻射區(qū)內(nèi),電磁場開始輻射,標(biāo)志著遠(yuǎn)場的開始。場的強(qiáng)度和天線的距離成反比(1/ r3)。

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

和近場類似,遠(yuǎn)場的起始也沒有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)為是2 λ,有堅(jiān)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(rèn)為應(yīng)該根據(jù)天線的最大尺寸D,距離為50D2/λ。

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

遠(yuǎn)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(dāng)于光速。電場和磁場互相支持并互相產(chǎn)生,信號(hào)強(qiáng)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(xiàn)象。

19世紀(jì)70年代末,在無線電波發(fā)明之前,蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)測(cè)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(dá)電磁場是如何相互產(chǎn)生和傳播的,并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。

麥克斯韋創(chuàng)造了四個(gè)基本方程,表達(dá)電場、磁場和時(shí)間之間的關(guān)系。電場隨時(shí)間推移產(chǎn)生移動(dòng)電荷,也就是電流,從而產(chǎn)生磁場。另一組方式是說,變化的磁場可以產(chǎn)生電場。天線發(fā)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(yīng)該記得。

遠(yuǎn)場在空間中傳播的強(qiáng)度變化由Friis公式?jīng)Q定:

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

公式中,Pr =接收功率;Pt =發(fā)射功率;Gr = 接收天線增益(功率比);Gt =發(fā)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(gè)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(yuǎn)。例如,同等的功率和天線增益下,900MHz的信號(hào)會(huì)比2.4GHz的信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)。這一公式也常常用它來分析現(xiàn)代無線應(yīng)用的信號(hào)強(qiáng)度。

為了準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的傳播,還必須了解天線在遠(yuǎn)場的輻射模式。在近場的反應(yīng)區(qū)里,接收天線可能會(huì)和發(fā)射天線會(huì)由于電容和電感的耦合作用互相干擾,造成錯(cuò)誤的結(jié)果。另一方面,如果有特定的測(cè)量儀器,近場的輻射模式就可以準(zhǔn)確測(cè)量。

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