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本帖最后由 Xuxingfu 于 2012-9-21 09:23 编辑
5 i) z7 d( M4 @) Z5 x' h
% s5 q+ C! b; l9 m j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。 # O) G& C+ f6 G% ?- d, S
" _; z( Y6 \# `5 i; K/ W# ~$ C0 p1 B* a
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。
. w$ e8 @( F# K0 I& Y6 M6 \: Q9 o" z, w. I
* s( M6 r# w. D# g2 Y C* i
电磁波 : z$ `, Z, j W* H4 W: c: U# j( v
% O; X! q% i9 a; S) C1 F8 k. n7 q
9 x8 I9 n; A' [0 q) u: j- W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。
# A1 b' e. m: B: i7 c2 n2 `+ }; ~* {, {! W0 D8 f/ s
- F; k* F& l9 U
& o, Z- g$ `% \
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。 ' h H( t$ G1 H! G
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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。
( l* _3 f" Z- d7 o" @5 q& D
A2 K' \+ w, a2 Q' G/ e
$ @6 S8 P% w x$ S; _! B% u, {
7 B( \* x4 P! i8 a! ^; i& A {
2.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。
$ J( a$ A# L1 |$ \0 Y" y; }! {
' I/ m' \2 i9 Y' c- n/ t近场 8 Y5 ?/ v5 g+ A. H
) v" ~+ l; Q' Q M0 @7 {; ?
/ f) p W( s4 F f/ ` a& [( K1 U; b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:
2 N1 W+ g2 Q; x# Y! N! w8 `" j
& ^' \5 o: f; ]+ A V3 Yλ = 300/fMHz ) `! B7 a" h+ _: ^2 }. t" @
# t, w, f! |9 g U' K9 t/ G* g" R/ w/ e: Y5 i8 O
因此,从天线到近场的距离计算方法如下:
( g: `7 }: f7 N- J O
% f7 t; ]( ]8 ~+ `; b+ ?λ/2π = 0.159λ
# F" J3 \2 ^) @3 f; h! k0 U4 G. ]: I& P( A7 i/ R5 V; d
5 _% U, g" D! M. m+ \4 t9 }8 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。
( ^, ^7 I5 T9 |% g( Y' ?5 C$ b1 p% H: B7 r# p
$ y( X1 V# I, X# u3 C4 K: b _ i" ]( \2 }0 j6 C, ?
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。2 P7 v5 T R7 F
7 e5 T" W" {* I, c
- R7 b) q! `8 z) @! |7 E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)。
& n- ?! R% W7 O! d5 `0 z; ~) f4 D( M* t& ^
/ |3 }! Y) J2 _- E$ V. e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。
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+ `: l7 m& d7 u8 e( K" f0 q6 ]
远场
$ d2 x- K, r5 \ g( `& z4 @& E5 b5 Z8 U; a' [$ z
; H. ^: t& y3 J& E% U% y3 y4 f! m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 i9 \1 J- {& Q, z+ s# r
, h# L1 q! M' d) c5 Q- k" |! k: x' N9 W* X% U
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。 % H k% K% d. t( s" A
% B, ?0 B% n6 S( U/ e% ~
9 ^' T( ^6 I g% }0 H) b* P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。
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麦克斯韦方程组 1 | ^- c1 e( w F) T7 h
- d% ~/ n' b$ ]) B! d) ^4 W1 c% L
9 [5 | }5 w/ T2 A# O
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。 - |2 L2 S, \( n- j
* r& J W. s; U
{- q, o: \- |
麦克斯韦创造了四个基本方程,表达电场、磁场和时间之间的关系。电场随时间推移产生移动电荷,也就是电流,从而产生磁场。另一组方式是说,变化的磁场可以产生电场。天线发出的电磁波在空间中自行传播。本文没有列出这些方程组,但你应该记得包含一些不同的方程。
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! z; k/ F; j" C7 {; M2 C. W
- s% Q$ H1 ^# ?; S9 X7 i- T应用
9 \$ i0 H0 s( Z; L: T
5 |6 ?7 j$ C7 V; M4 O2 i+ S9 M5 O' P9 L) y1 P. \0 r: B4 y
远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定: ) B$ }; L( l$ Q; a
; ]% M1 z# {9 D
' y* r( f! {5 b$ |" xPr = PtGrGtλ2/16π2r2
+ C3 O; ~1 o8 t! `; e+ n8 x3 M0 A0 u! m" Q+ k* B
2 I$ k9 c& w' _( u0 l) |
公式中,Pr =接收功率;Pt =发射功率;Gr = 接收天线增益(功率比);Gt =发射天线增益(功率比);r=到天线的距离。公式在视线所及的无障碍开阔空间中适用。
l: H/ X% ^7 n, R& v7 h! \) ?% z3 l& B& A; r7 R
; f( q# G# u! ~: N( K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。
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2 I/ X% T, u1 `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。
4 G3 W* _/ Z r# {: l) y4 I# x! V8 F- A" i4 c0 s- O$ j/ J; E2 i1 f
# O2 ?# c0 q9 l* e2 E- |+ f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)。
2 N+ X0 i5 k0 o+ f/ i1 I+ }. J2 f; ~# L
7 _6 r9 \! A0 @# ~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。
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0 K/ k/ g/ p% [' F% H
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。
0 s/ A9 C+ J. r2 B6 }7 v* [5 K) Y
% q `4 p6 @- v) Y: K
& y" Y9 c3 m {% l4 n0 a% Y5 J$ `& ~在900MHz,波长为:
' f$ W# [+ j& G X6 q2 K% i4 e( Z
" C1 S$ v/ b/ ?: I3 Aλ = 300/fMHz
8 `6 O; Z2 m; {. L; n" t- \* z
3 K: P# O/ b8 a/ t& o+ b- w4 [
3 d( W2 d7 l! x# b) W3 \λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm + w. V9 \& v$ q
7 h& f# X, R1 K" g6 M. H7 ^2 q2 L2 W
因此根据近场距离计算公式:
( T8 ]! Y- M V* s9 {$ N/ J5 h' P6 c5 N8 w
) a. p M" g" H i9 n! D
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸) 4 ]/ P( w$ B* _+ z% O. h2 k# @
3 ^% S/ J7 ~7 T4 P1 F9 Z' |2 v. U8 u2 h" ^% Y
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。 " D }# B( { X% B( c
" |8 i. Q/ Q. D
# e" V o+ l; E6 @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:
4 u" L5 z! d( {# M" U7 U( K1 }- R0 h- q6 \, M J2 S) F ]
λ = 300/fMHz ; V7 c" g W$ H s. h8 v
! l9 V% ~3 P$ n0 R w# Q. N9 n0 d* t" ~+ F! v" Z
300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺
7 c- B( F# g- z, c6 G9 c. @. S% [
+ ^% {, n* X, B, d3 v$ W- }. u
0 A; T7 e2 r9 |& v1 p( B+ e近场距离为不超过: " l- b0 o4 P F5 T( a" ^+ u; C$ |7 m
. F7 P! s2 W2 a, K. Z
. [3 _* i$ J- y% f- P2 _λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺 - J2 C5 r' G* _' Z- q
' a9 v! ~+ y5 {
! l5 |* M0 c9 K1 A1 j s7 M因为电量消耗低,实际的感应距离很少超过1英尺。 * Y; K N7 b+ I$ E: K
' ?! J) D6 A! D! G5 Q: }& K
* Y2 A! E+ t' m0 |1 V8 L. z0 rNFC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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