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标题: 电磁场的近场和远场有什么差别？ [打印本页]

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作者: Xuxingfu    时间: 2012-9-21 09:21
标题: 电磁场的近场和远场有什么差别？

2 r4 G- Q  b$ O
" H7 p; e. e! W& R) A. e无线电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。

! N: z! y3 w8 ?  p- `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。
6 J  A' B+ b5 Q/ ]' C" F

! A; R3 {3 {% F# u0 }' L2 G. x( T% l电磁波

3 f, R# W8 v# F0 k# O
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。
7 a( x9 I. P/ ^  K( ]! E

( q7 [3 I- X8 x" V6 P  g; A
5 E9 V8 z9 v! m) N' x7 q) I) j& \$ v: \+ r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。

4 J+ v* m6 n5 h3 p4 w6 q
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。



& e7 p. H! x, V3 K2.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。

4 v7 r6 E5 v- ?& [: I近场

8 a% I/ L$ }) b! O1 @' i
) z7 x+ J% P- T$ x2 E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

. t( E/ o  B7 k* n' r/ M3 u2 p
因此，从天线到近场的距离计算方法如下：

- ~. k" w2 s5 J) Rλ/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。

8 P  t+ B0 I) J3 {  o
: r( Z4 S+ X- \& o3 f+ ^* Q1 h/ L
% e- Y+ e- v+ J3.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。
$ }: C8 e7 t! |3 h: E' ]
8 I+ I. ~6 G7 v9 k: t
% y3 d' _5 K; v( d6 [$ `- |/ q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)。
3 [) r8 L2 e* S  i
; h- r5 E, S& ~
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。
6 L6 u9 r/ I/ k7 W. b/ T6 V( d/ q

0 O# }" ^4 p- a' S% `远场

" ~5 u8 V" l$ I7 S) R
- S) G! X, b: @4 Q9 k和近场类似，远场的起始也没有统一的定义。有认为是2λ，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。

: f9 O1 A* G( j# E" }2 M
9 J$ D; X( p+ S  q; k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。
3 c8 Z) c; e3 p8 X, |+ p$ ^- U
2 \' X; O( q9 \, \, O  [6 X! I麦克斯韦方程组
% n7 a) y' z2 s8 W

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。
% h- T5 B( e/ h8 i% h2 s% F

" m) \5 [) U3 c, ]: h" Y* s! s3 q* `, v应用
0 C2 l. ~! W/ L% g) C3 _$ ]  D) f. E

4 V9 t/ y7 O9 [" Q' ?远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：
8 s( h* Z* V" r! h

) c/ t+ t8 C8 e" j# u) GPr = PtGrGtλ2/16π2r2

9 x% `! _  L. u( J3 R# t+ R: \3 S! \
' a) J6 H* g1 V. L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。

. V" B- ~" d) z- O1 J& K
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。
! q0 ~! e4 l8 H4 \6 M
2 R1 ^% R6 Q" I  b1 l
0 Z1 y1 Q, y+ v$ u7 G- Q8 x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。
2 V8 g8 o. e) F8 W. D
5 l' }: Q; }$ ]% z3 Z4 K
9 L9 I( d: e! t9 `( g  c4 N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。


5 d) A& A& j. V: V% p; T在900MHz，波长为：
4 B. j% H( h' y% _0 @
9 o; d$ L' I) |, s* Q
( j6 K' G7 f- ?λ = 300/fMHz
) r  x# w5 Z- c" R

- [( j" G1 ~5 M0 p4 Y9 U5 gλ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm


% t9 }6 U# O% R8 w$ N因此根据近场距离计算公式：
  R; v  s6 Y4 N6 W. n
$ L) g. h) K/ _' m$ l; |/ m
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸)
* V7 f& x+ I- W, f, P$ Q0 l5 q

$ J* L$ y: c- k, }' M; w6 J& W* [7 P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。
4 U3 e# b" P* o% S4 o2 S1 |& _- y

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

% I7 D4 @7 N& Z% e# \7 ?/ x
% w! m8 ^0 u- y+ m/ g  k300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

# ^# |$ {, W" y  F- a' E! G. P
0 K, f7 A( x# z2 u) _. R近场距离为不超过：
, H7 o" a" l5 r" a+ m) Q, T9 d

3 M" ?0 K1 C$ R) W8 N0 Fλ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

6 S3 M% z2 d) |
因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。


: N' A) U8 J) U7 g0 sNFC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。

" A0 w0 `0 Y; E1 w- u. j5 e/ Z2 o

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作者: Roshan    时间: 2012-9-24 08:24
学习了。。。

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作者: sky012871    时间: 2012-9-24 08:48
学习学习

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作者: fuconghua2422    时间: 2017-6-15 22:12
学习了

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