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电磁场的近场和远场有什么差别?

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发表于 2012-9-21 09:21 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 Xuxingfu 于 2012-9-21 09:23 编辑
3 }4 ^3 B7 C1 Y
7 ~8 W0 x6 E  K& e8 D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。
: H  F. g/ f$ P9 S, Q% A- N% j/ F
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。 & f, y  x2 J. ]8 @/ Y
$ D) b6 H8 a7 @6 T! K: A- S0 C
5 K# p, V+ }* ]+ y; j9 v/ p
电磁波 8 M2 n) B  u2 z" X) e9 d8 J2 Q( K" ?5 F

; Y! x; q0 \& X
0 M6 E3 ?- m  m$ U8 w& a9 g7 g. M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。
$ J- X; r& v% O
! _* A. i8 s. y  s* @8 S  | : S! g9 R- q2 \% T& c

6 _1 e. J$ H9 h' S& N6 P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。
/ X. A: \2 f1 |$ O: S) \4 d: v
* p7 v+ U1 B8 k- I
$ H' N, y( U% x& N! Y* ]- b! ^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。
5 W! ]9 [  M& p& o1 l
- x' P( T6 ~2 W
4 e! Z( @  ]; z& @& m- y" M" N/ i" L
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。' e' r! k( x( I9 W
7 g- B% j5 o* L% O" Y+ g3 d
近场
" G( f- Z3 q5 H* r6 H. s$ p" w8 B$ D# M7 R

" J% V3 k8 H: R0 R8 t% M2 W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: . a  f7 o+ ?( u4 n& N! n* O

& g7 w0 ~* `7 W+ L$ a, {/ fλ = 300/fMHz 8 s1 v+ M. i7 _3 o! ?
2 P6 ~3 z( b/ {6 g5 _, @; i
1 Y% [8 T2 J# G, d
因此,从天线到近场的距离计算方法如下: 9 r( D( B+ d3 c$ f$ G. L

$ S- _% Q' p9 e4 o# jλ/2π = 0.159λ . U) C8 d* A! S* D- R9 ?: o
1 B5 L+ ]0 f* R- _
5 J: v4 L5 U7 N: r5 u7 m) k
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。 . E9 [$ K( i0 X) I5 }4 n
3 \8 r- H7 G3 a/ @1 Q
+ i1 o; e+ g$ m! C5 E/ S

6 d! d; V2 m! A) X6 ~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。, z8 m0 d: w) }9 W; I/ P

! u# t& Q  Y3 P* X0 [" Y, Z
/ Y, n: |+ ~. ]" W' 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)。 ( g1 b* Q& c; g8 B9 r2 u, p- k5 v& Q! Q

# P* X- j# @4 e
  S% k5 {& c7 |6 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。 2 A  T0 R! I. \
  a2 V3 y! Q! W8 q

$ Y' d$ N$ m: R远场 6 o8 ?" |9 s" q7 B: m4 d
( Z5 H5 q% `6 @
* x8 g9 p. g, h5 o4 \
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。
  _! j! R0 J' [6 v/ Z' y/ A& Q2 F/ V7 k) n8 E0 r3 r  X' G* d- G

$ u5 s  F+ q5 ]1 B/ N" v  z1 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。 % F1 a  H9 ?  |& Z* z* k- B( |
/ ]. x/ Q( Y- [) q/ e  u

# H1 v( R1 w+ d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。
9 q+ Z9 [- h8 K! W' U' i% g
, t' x3 ], O" R3 ?* m  [6 G5 q麦克斯韦方程组
' i/ D, G( m$ e; N9 u
. E1 \7 B0 [0 z) E+ [( p+ O. W, Y" V0 Q+ L* C
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。 # X$ m, C7 B( z8 Z3 o% p

  j& D/ K% o1 d1 p4 \+ n% d" C( m3 z* w. _! q5 L; u* B! W
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。
) t0 l7 X5 k; A; R* y
! p- F& x( Q3 U. n% w7 X9 S$ `# V) E* b+ N: l! ]
应用 4 K% U1 w+ T, }1 c

8 ?& e( Y8 p/ ~  }; ~8 W
. l, O( u9 a  K: u远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定:
& ^+ g2 ]9 ]9 a% q7 @
& `' Z4 Z$ t: z- p- W  ~
. E8 |* \  X6 I+ wPr = PtGrGtλ2/16π2r2
( ^9 e3 d; v2 `$ z3 p
! S0 i% d5 [* j1 t* B- H0 w; P
/ B' C0 U: S- j# y, s" L& j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。
& X9 V* a, K- E6 x# x7 {+ J# S
( P% _" \8 k1 Y3 f5 n1 l3 T/ L+ D& |5 Z
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。
/ A2 Q  c/ B* e+ u; u
+ b( }: E0 H! h4 N' i" T
# }% m% ^. @  q) v' F: p1 ~$ T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。 " f2 I7 P" j. ?, \1 C9 @
/ N7 d0 q" \" n+ E" e5 n' M% q' U

0 r7 T& |/ U4 e1 u% A' ^- ~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)。
9 {% Y0 j: g, n- p$ q1 X% V8 }- P, O

9 ~. B$ [( j9 uRFID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。
0 M5 c$ ?1 J+ y9 I% t3 E
/ v% ^2 N1 c" H" J1 ~$ W0 N% o
5 `/ G" {7 q6 G1 N9 f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。
) \4 w0 M. v# Y6 w/ n4 E6 V# v! ^" q3 L" J, d+ o5 n
! r0 \! p7 T4 l7 Z
在900MHz,波长为:
6 b- J5 l4 z( z0 `9 L; w
& \1 o2 Z0 G$ i! J% c8 N% ]8 u
* f' i! h+ @( |7 T) E' t# Mλ = 300/fMHz
3 A- f! M9 b' [7 b: J; c1 }& j
& [" T5 p! _1 [/ Y; U! ~) p; F8 X4 V2 e
λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm
7 w4 J5 T% P% z. Y0 F/ ?
0 H2 S! n/ Y! g" t% e+ P/ I, W; {9 m& A7 b
因此根据近场距离计算公式:
4 R6 L& n6 j# j/ R6 m. T
! e  O4 F) P' `& J. A2 z8 z5 _& Y; y5 D; |1 x1 }
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸) * t  J6 d% C# y6 e1 b: O
; B1 `/ p" I8 v, N

7 Q2 B. ~& x( y0 j6 v5 |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。 + |+ I4 @% U# p8 h0 m
6 S7 x3 k4 \3 x+ J, n: @
' O' i( p* a0 ]5 n! Q: `7 O2 ~
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: 8 m* a- T2 {& k  T

. L4 W3 X# l$ R! X' Z; Rλ = 300/fMHz * |6 c# f2 z4 g! g$ I3 G" \
5 e. |$ Q) S5 A& k/ I

! y3 ~( n4 ?  B$ f. c300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺 4 i5 [) v, l9 {/ g  Y, t6 M
) Z' P- N5 b3 j3 S

  ~0 K- _  q5 N7 [7 g; }近场距离为不超过:
; E7 t+ o9 d9 t/ Y/ ]5 U" O$ I1 w3 L4 D* K9 ]- A" s3 F+ G
2 l: B; }3 Z) F" _# [* M
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺
6 P/ l* {- k6 X$ X) K  h* r  ^/ u* o# e3 `, x1 G$ ~
! I. @1 [; |5 p( u- `% g. V1 Q$ i
因为电量消耗低,实际的感应距离很少超过1英尺。
& [# }# B9 r5 \9 Y% }+ W
0 l% n" k& Q9 v! I$ S2 \! k5 Z3 l2 A8 y! I( [; o- m  |
NFC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。 ' \- }7 Y4 M( o% R" v. s0 A, S. z# U

+ H1 b5 z; v2 A  K* g3 N

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2#
发表于 2012-9-24 08:24 | 只看该作者
学习了。。。

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发表于 2012-9-24 08:48 | 只看该作者
学习学习
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