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本帖最后由 Xuxingfu 于 2012-9-21 09:23 编辑 ; k2 Y0 V' Y4 @" v1 X# D8 }7 G
; ~- S/ Z- t ~* S+ |. C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。 0 }4 A3 Y# j6 e! g$ U8 Y$ N. \
7 `( x" f/ T5 E7 K6 h+ c
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。 , a/ `/ \4 I& e! }, [' Q0 d
/ I; k7 v$ C h/ x+ f D* w
}. v3 y% _$ x7 t( l
电磁波
1 Y9 ]" O9 y) u1 U& h( q: J' Z2 x( P" G
% U0 N* a( H, X2 I+ l; u' C( g% d
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。 * b9 S/ a: O. \1 N6 n
r. Z1 R# c6 O
0 R( {; H6 m+ t- X/ R3 ^3 y, D; c
8 b) m c1 O$ s* I9 x
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。
2 a. S* d. m) w' G8 t8 r0 h) B2 ?* u# w
0 u' ?5 _3 V, ~+ M) x# [. u
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。 . ?1 O/ S0 ~7 w) H. {
0 V9 T D( q0 @4 a9 V4 k" i
# k9 I* R2 Q* {1 J- d7 X
9 Z8 {' b$ u$ g, P7 k1 @5 W( v2.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。
* B2 J+ Z- {. y: w3 v
) W: _- H( L5 d' g- Y' _近场
0 S1 s& d$ [0 T$ G8 |6 d3 o. o" n8 w4 i9 j7 m3 G v# H
5 w, ?$ i, ~/ G0 ^: Y4 W' n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：
: n7 }& A! j8 {' x$ R0 d3 x- A0 n+ o( r, Q' c
λ = 300/fMHz
6 @6 @4 j3 c: g* f9 G) [! D5 n- Q& P+ v( r: p
$ w# u# w) _# y7 Y
因此，从天线到近场的距离计算方法如下：
1 _5 k% W4 ~' _9 Q0 G
9 K" {0 k7 i3 r( t8 J6 y7 gλ/2π = 0.159λ
4 d W7 B. k9 m0 s7 j
3 {4 I8 q9 O1 }* u0 A1 L! b
8 f' j. f$ s( Y3 f& |2 M& D0 O9 K0 r8 e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。
/ N0 h& O n9 \& g) q I- a% C; W, H) j7 Q" C- ~
2 q& N3 Z' ^ `3 {% V
, Z) [' N8 U: s
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。8 V* B+ `* p0 x
O3 D7 S0 @4 J6 s) H' [
; q) |9 v" R8 ]5 ~ k1 q/ ?4 w `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)。
) I: T- J3 h) t0 h; h! X) w! |# c; K# W4 }* O$ n6 t
# m5 p, D- |2 w0 L& |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。 & O$ ~: v' C( V# T
) j+ d& x) e ^# z% s- y
; _6 s7 b1 F4 o" Q% r
远场
# A6 u |' g; @ B$ P& N" S- X+ S7 n+ G. n& i- c. O7 `, n
3 U9 B% \ B& o! w$ }
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。
2 O4 v b( Z8 f$ d8 ^
0 n- n. `2 w' c' T: b$ z1 e
7 _0 @: w% l! m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。 8 t5 g. J1 n: P, U; Y$ M
& n6 s) i! s* |. {
( y9 T u+ W9 x# i+ j, _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。 + b; }2 w- e. b$ m
- \( o; Z: g3 W% M; D& H麦克斯韦方程组 $ O0 J& r3 _6 w8 d; d$ L6 }
1 Q- P5 g3 S7 u! |- U
9 y9 b# A R8 y6 F6 B' i19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。 $ ?2 T6 A5 n/ a2 ^5 ?4 _, F
0 n' r5 g+ t8 b% G7 l( U; d# K( E: `$ w: A/ m) v- n% I
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。 1 m2 _; F3 K5 D5 ]
% S+ R) n" z) @1 A: k: w
8 Z% b8 s) c. |3 j8 L! B
应用 * a% D6 i1 j) Z+ @+ J
2 g$ n2 x% T; B U$ n& v2 Z4 u- H: i( u
远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：
5 {4 N5 o, Y, A q0 \" B5 g' j8 i$ B5 T5 e
' o D: u, W4 w3 {/ s5 nPr = PtGrGtλ2/16π2r2 5 ~% K" [* y' T i! Q
. |) i# u% g; I }+ v+ E
, ?* b5 `! n, { w
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。
/ f) E, d. \, o# Q/ y$ g* h. B1 ?8 P2 c0 C2 j, q% ~: K
& r1 ]0 I7 o6 y7 R3 [# r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。
2 d2 [0 B* d% y& W
6 ^- L9 {7 @& ]7 @* R2 v
3 N0 _9 j. d3 Q; m+ Q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。 ' `. e$ d5 ~! W T* p
3 F4 k+ z+ s G) B6 W% t2 B
! F0 Y8 o0 Q6 G0 L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)。 : t/ H" \. Z. ?1 m! O" l2 v0 a5 _1 _: E
y% Y2 {- _2 _4 K6 `
$ X$ N' _# g4 z$ [- E# oRFID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 n& G6 o+ L- r$ m4 M5 s! H
1 x0 }) y% ]" D8 ~! e' z# _5 X! A6 ]+ X4 ]2 ]
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。 % [6 p! ]; P: i* @
: I" W3 Q& _1 w& n8 I$ T0 ~8 j
4 _% [; L3 K) R( A9 L在900MHz，波长为： z( q' \3 {0 _$ e4 U
6 V1 @/ { a% @% ~ I1 R0 A! k8 o3 \
6 J/ o, M" t: n2 r; B9 F5 }8 F) _. c
λ = 300/fMHz
+ a/ l+ h3 L* s' Q8 c2 b k4 @
2 H& {; v- q% O# s" P" q; _0 [1 |# o! `" ]
λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm 7 I9 z( A& R- L# L: d, N. r" t# h
, S8 }* m+ K- n/ o& t# y& t$ B# j( V. v& g8 }( l, a# ]
因此根据近场距离计算公式：
( D$ O9 S) k/ k0 Y `% G+ [4 ^6 R2 A) G4 Q# x& F
5 Q1 D( n7 o" f% L% |0 ~& |# Gλ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸)
# V2 }4 m/ [3 W( i* y, @+ y$ Q& \
0 ~' V0 k0 D ^7 T) X: Z9 j* T5 u2 ~' e, n8 T0 A9 K
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。 / O4 P4 Y) |2 ?' O4 i
* e, \. J1 y; S2 A, v8 ]" ~
1 T z5 Q l+ E0 ~- L! |* ?( cNFC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： ! ~. Z- K0 u* ^$ B* d
: C- M5 q+ n4 g& \# _) cλ = 300/fMHz
% |2 u% a1 p( M& Y! G' r$ |6 J, P0 c7 l& ~- t8 U( ]: V( c
& R5 N7 Z1 G# J$ `" L* t, c
300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺
* H, a" j8 h8 I1 d/ q# M; s$ w' a, X' q* c- _7 Y4 Z& v& q
' W" m2 w7 |6 o4 j c" O近场距离为不超过：
, s9 p* i! s% o# n
; D: R- ?& t9 m2 M1 `1 O4 Z. h i8 u Y: M9 ?; W# u; F
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺
% N5 G% @: b" h3 M% r) o
4 |* d. \. J4 Y* q0 v* ?% U+ Q% k8 T: G4 |" M8 v
因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。 - ?# k0 L- H/ i8 s1 ^; T7 B; z* H! {
/ M9 p; b7 { Q& U1 e) F
$ r) `5 I1 o& W- f9 z, O% fNFC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。
3 c' r$ \' U2 V" ^/ P& ^% ?1 _
2 {7 J6 f3 R, q8 C8 X$ d) G2 m! Z! l |
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发表于 2012-9-21 09:21
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发表于 2012-9-24 08:24
