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快速了解天線的近場遠場的差別

電子萬花筒 ? 來源:電子萬花筒 ? 2023-05-11 14:34 ? 次閱讀

無線電波應該稱作電磁波或者簡稱為EM波,因為無線電波包含電場和磁場。來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場,天線是信號到自由空間的轉換器接口

因此,電磁場的特性變化取決于與天線的距離??勺兊碾姶艌鼋洺澐譃閮刹糠帧鼒龊瓦h場。要清楚了解二者的區別,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生電場和磁場的。轉發后的信號被調制為正弦波,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。天線元件的電流產生磁場,方向每半個周期變換一次。電磁場互為直角正交。

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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,但他們會向外擴張(圖2),超出天線以外后,電磁場就會自動脫離為能量包獨立傳播出去。實際上電場和磁場互相產生,這樣的“獨立”波就是無線電波。

dd160de6-efc5-11ed-90ce-dac502259ad0.jpg

2. 距離天線一定范圍內,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標出了輻射出的正弦波和近場、遠場。近場通常分為兩個區域,反應區和輻射區。在反應區里,電場和磁場是最強的,并且可以單獨測量。根據天線的種類,某一種場會成為主導。例如環形天線主要是磁場,環形天線就如同變壓器的初級,因為它產生的磁場很大。

dd208528-efc5-11ed-90ce-dac502259ad0.jpg

3.近場和遠場的邊界、運行頻段的波長如圖所示。天線應位于正弦波左側起始的位置。

輻射區內,電磁場開始輻射,標志著遠場的開始。場的強度和天線的距離成反比(1/ r3)。

圖3所示的過渡區是指近場和遠場之間的部分(有些模型沒有定義過渡區)。圖中,遠場開始于距離為2λ的地方。

遠場

和近場類似,遠場的起始也沒有統一的定義。有認為是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,另有人認為應該根據天線的最大尺寸D,距離為50D2/λ。

還有人認為近場遠場的交界始于2D2/λ。也有人說遠場起始于近場消失的地方,就是前文提到的λ/2π。

遠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,相當于光速。電場和磁場互相支持并互相產生,信號強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象。

19世紀70年代末,在無線電波發明之前,蘇格蘭物理學家麥克斯韋預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電磁場是如何相互產生和傳播的,并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。

麥克斯韋創造了四個基本方程,表達電場、磁場和時間之間的關系。電場隨時間推移產生移動電荷,也就是電流,從而產生磁場。另一組方式是說,變化的磁場可以產生電場。天線發出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒有列出這些方程組,但你應該記得。

應用

遠場在空間中傳播的強度變化由Friis公式決定:

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中,Pr =接收功率;Pt =發射功率;Gr = 接收天線增益(功率比);Gt =發射天線增益(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。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。這一公式也常常用它來分析現代無線應用的信號強度。

為了準確測量信號的傳播,還必須了解天線在遠場的輻射模式。在近場的反應區里,接收天線可能會和發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確測量。

近場在通信領域也很有用。近場模式可以用于射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。

審核編輯:湯梓紅

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