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本帖最后由 Xuxingfu 于 2012-9-21 09:23 编辑 8 m5 w5 P [( U4 u% T& M$ p
2 S' {: T- I: @+ U! |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。
+ K6 C! b1 u0 o6 X* ]
5 K7 M( g8 n3 H: i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。 * l& E) ^, c/ ~
2 A2 F9 W% x& B! d% B" {
8 v1 \, [, L6 f& i: Z+ I7 a
电磁波
& f# ]4 v% o7 ?) ?" J1 O4 t X2 \3 g. c. t5 u, g$ g/ Z s
, V. l* D8 M& s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。
4 a' [' a4 Q; D! Y0 e) n# b# w
. U1 ~" A! L2 l' v* R
! k5 T, L0 J1 v0 s
& ~# d' m6 X: @- _& H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。 3 P# G" P8 E- F( p1 n7 X5 i
2 Y; j) C7 o, E- c0 C
" x5 n8 s" O W! g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。 $ n3 W, Y2 a3 |
( ] Z4 Z9 z3 L0 ]: P5 R
) _! O* x; `) s# E" u. P/ W( c
6 {% ^$ G( \' l. D) n2.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。
# R4 d4 B3 R: B& `" K4 x: n0 ]7 q( c5 C; o. _+ F8 A* j/ W
近场
C5 m, r( I. h3 t5 Y+ x4 c' z. l
) q& _/ p8 p' Q1 z6 \ z2 D& T! l6 I. h' G. c% ^! m7 l8 Z( `5 P
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： $ T) {7 ~9 J9 d1 \1 W p
" t+ f, v6 Y8 ^/ Gλ = 300/fMHz 1 h2 [1 }) T( @- d" c
' H3 ^' W7 N& g
9 A3 w- D! S& M+ c' q因此，从天线到近场的距离计算方法如下： ; d( a8 v* s/ P, ~6 z( P' d9 x
5 c. M, ?/ d) m- }λ/2π = 0.159λ / J/ {6 [2 z9 S0 H/ j: e
& \, F& r9 |; p* {: u% v
1 ~; i" r$ y& z8 S8 M! 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。
$ N( A, \& |+ I9 G. }
/ G* K* `# C' J8 U* F( S
& b C+ A6 I3 S0 A$ _) y5 @* {
- ~7 |1 u2 k# @+ |5 T6 H3.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 @3 j/ l* }) [/ l* A/ G! g( u" C P0 W4 _+ Y' c( _$ p5 Y
8 S; o2 X) Q0 l' d1 n3 m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)。
N3 p7 M) Z4 T4 M' ^
/ E; ~5 Z0 J$ ~9 H7 ~4 s
* S$ H9 ? c- T ?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。
' i! L7 z, [* E) L
- b, J6 T* y `) l# }- `6 M# V$ g2 z& {3 n' A
远场
+ t0 e }5 Z1 ]3 P% {
& x4 }( p: K! [
# _9 z0 p; ~, m+ N8 S, ^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。
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0 ]5 }0 t u) u) D, R2 r# P( x8 K. u' v
( u5 g' {' Q6 G$ t. T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。 / U0 l$ x: {( ~6 P+ X3 f G) d
, n' A8 t# V% s: W2 V% X
7 G5 v* _8 m9 X9 e0 W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。
0 P2 i; q# q9 e: c8 @' |
6 p8 l+ ]" R% a% ~2 M麦克斯韦方程组
% X5 F2 V3 S8 g, n& H; H& i2 x$ r* h+ ~/ W4 X
) R3 ^- p; i" X& {$ y$ f4 E
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。 5 ~; G8 K- _! A+ }, r# u9 d, G
, @$ n; h4 V6 j" _4 T
5 s) c6 _+ D S- @4 N ?* \' E: F' y1 @, u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。 6 |1 \+ }# t2 t
8 G) G( S! E) _/ @& c
; r$ Q9 r* o- K: V I应用 , Q* m) Z" U; M# h/ g6 p; B
$ b& L* o% J9 K, y6 V3 Z9 B( H: ~9 e
# `+ X; G9 ^2 A. {3 s. T# @$ g远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：
& U5 v% a) r3 x. V( o
% V3 q* h+ N! \" b6 f. o3 s8 H
& m/ t' e+ N( z4 L. p; \: p3 [# E. j3 cPr = PtGrGtλ2/16π2r2 9 y" M" Z( r7 T. m$ M0 A
4 ^# D$ ]0 r* |! c% C f8 C! N0 J$ T P- T4 S6 o& N/ U6 F+ p" d
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。
" K5 L9 O/ t/ G$ W: U o) N. t9 A
0 M1 \0 T6 T1 K; {3 _1 C- h
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。
- M3 d! d0 C( c# M6 J5 J/ t3 c; g& R: f- R
# \' n7 _ p- E
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。
6 T& s3 Z- f# H. _, @% o/ Q3 v; c
, U3 W' j1 x- }) D4 w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)。
I6 l' R0 {% W2 M2 G& P4 Z3 @7 ]' L7 ^& W% U! f
6 \& h. V2 m$ g3 dRFID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。 / _% ^: H1 ^& {! W# J. Q8 d- q
: x, K& v9 M) M- d5 g/ p3 U0 @; y9 U6 w: g$ Q/ Z, }+ l
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。 2 v9 Q2 I( Z$ r
0 f4 ^% x6 |/ [+ R
- }' A8 E* F$ w
在900MHz，波长为：
3 d& ^: F6 Q# m- J3 p& q4 u8 Y; t
2 K; e: {! D( a8 n* v! R2 H: {2 E x3 ~' J" }. v; L
λ = 300/fMHz " d5 j, k6 l+ K! @1 B
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Z. S; s$ O' e" B+ W
λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm
2 H; \0 j" U6 D4 h9 e% e* N
; ^% w) a% C* d) a5 `4 l5 ?8 I. X2 i
因此根据近场距离计算公式： ( _& L+ k% }9 u# C2 }; g, \7 f
% D0 O! r! T0 F* D7 X: G* C& m( {6 g# a% w1 p
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸) 9 p/ V* Z8 I4 N: _ D
E/ d$ s7 B4 _8 _. U; m
h% Q9 Q: |- ^$ K# S" ^3 e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。
* t4 b+ h$ w6 L2 b% ~) Y% ^* W6 H/ H2 H. } @, @5 r3 p
) K+ {. F- j2 U @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：
+ a' v3 @7 }0 V- \, u3 _. c- O/ t/ p+ M( o- h
λ = 300/fMHz
* l# v4 g, ^, f0 [$ y/ |. o" E( ]; d& U) v
- c/ O W: U+ C: z2 O300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺
- S8 C6 Q( U& x1 l* W' g
9 s2 L# |4 {! W% O" w. w/ H+ N; V$ G7 h, P! i+ ]
近场距离为不超过： , s4 ~) S/ x+ w9 w9 d0 N
& Y3 L3 y- I/ V$ o9 y1 _2 \$ V4 o
$ ^3 K. I, i/ o* {8 N5 t9 V( D
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺 0 ~4 t% X5 T. y) x: `0 b9 i7 l3 E
! N/ |2 Q. y# X: a7 N, G
( H5 H1 s% G6 t" F* w
因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。
3 K' T! P& }* }; Z0 F7 R& ?$ |' ?0 t
9 j) S) s* ^" \- [* k( |- W2 O
: S7 h+ i4 F* b7 H* [2 z6 eNFC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。
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发表于 2012-9-21 09:21
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发表于 2012-9-24 08:24
