電磁場近場和遠(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)出的信號會產(chǎn)生電磁場，天線是信號到自由空間的轉(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。

電磁波

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，極性每半個周期變換一次。天線元件的電流產(chǎn)生磁場，方向每半個周期變換一次。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(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，但他們會向外擴(kuò)張(圖2)，超出天線以外后，電磁場就會自動脫離為能量包獨(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。

近場

對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(biāo)出了輻射出的正弦波和近場、遠(yuǎn)場。近場通常分為兩個區(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)測量。根據(jù)天線的種類，某一種場會成為主導(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，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。

遠(yuǎn)場

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。

麥克斯韋方程組

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)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋預(yù)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(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。19世紀(jì)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理論。

麥克斯韋創(chuàng)造了四個基本方程，表達(dá)電場、磁場和時間之間的關(guān)系。電場隨時間推移產(chǎn)生移動電荷，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)該記得包含一些不同的方程。

應(yīng)用

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的信號會比2.4GHz的信號傳播得更遠(yuǎn)。這一公式也常常用它來分析現(xiàn)代無線應(yīng)用的信號強(qiáng)度。

為了準(zhǔn)確測量信號的傳播，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，接收天線可能會和發(fā)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(jié)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(zhǔn)確測量。

近場在通信領(lǐng)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(nèi)部有芯片的很薄的標(biāo)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(biāo)簽還包含一個被動收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時候，由閱讀器發(fā)出的很強(qiáng)的RF信號就會被標(biāo)簽識別。閱讀器和標(biāo)簽的天線都是環(huán)形天線，相當(dāng)于變壓器的初級和次級。

由標(biāo)簽識別的信號經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流，為標(biāo)簽存儲和轉(zhuǎn)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。主動標(biāo)簽有時會用到電池，將感應(yīng)距離延長到近場以外的地方。RIFD標(biāo)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(jù)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(yīng)距離通常超過這一數(shù)字，所以這一頻率下距離實(shí)際上也延伸到了遠(yuǎn)場。

NFC也采用了存儲和類似于信用卡的特定代碼。電池驅(qū)動的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)器可以把代碼發(fā)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?yàn)殡娏肯牡?，?shí)際的感應(yīng)距離很少超過1英尺。

NFC是部署“電子錢包”所使用的技術(shù)。通過電子錢包，消費(fèi)者可以無需信用卡，而用支持NFC的智能手機(jī)進(jìn)行付款。