電磁場(chǎng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的差別

無(wú)線電波應(yīng)該稱作電磁波或者簡(jiǎn)稱為EM波，因?yàn)闊o(wú)線電波包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)。來自發(fā)射器、經(jīng)由天線發(fā)出的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，天線是信號(hào)到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口。

因此，電磁場(chǎng)的特性變化取決于與天線的距離?？勺兊碾姶艌?chǎng)經(jīng)常劃分為兩部分——近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。要清楚了解二者的區(qū)別，就必須了解無(wú)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(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的。轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)被調(diào)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(chǎng)，極性每半個(gè)周期變換一次。天線元件的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，方向每半個(gè)周期變換一次。電磁場(chǎng)互為直角正交。

1. 圍繞著半波偶極子的電磁場(chǎng)包括一個(gè)電場(chǎng)(a)和一個(gè)磁場(chǎng)(b)。電磁場(chǎng)均為球形且互成直角天線旁邊的磁場(chǎng)呈球形或弧形，特別是距離天線近的磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從天線向外發(fā)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(chǎng)存在于天線周圍，但他們會(huì)向外擴(kuò)張(圖2)，超出天線以外后，電磁場(chǎng)就會(huì)自動(dòng)脫離為能量包獨(dú)立傳播出去。實(shí)際上電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相產(chǎn)生，這樣的“獨(dú)立”波就是無(wú)線電波。

2. 距離天線一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場(chǎng)均成直角。在(a)圖中，傳播方向和電磁場(chǎng)線方向成正交，即垂直紙面向內(nèi)或向外。在(b)圖中，磁場(chǎng)線垂直紙面向外，如圖中圓圈所示。

近場(chǎng)

對(duì)近場(chǎng)似乎還沒有正式的定義——它取決于應(yīng)用本身和天線。通常，近場(chǎng)是指從天線開始到1個(gè)波長(zhǎng)(λ)的距離。波長(zhǎng)單位為米，公式如下：

λ = 300/fMHz

λ = 300/fMHz

因此，從天線到近場(chǎng)的距離計(jì)算方法如下：

λ/2π = 0.159λ

λ/2π = 0.159λ

圖3標(biāo)出了輻射出的正弦波和近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)通常分為兩個(gè)區(qū)域，反應(yīng)區(qū)和輻射區(qū)。在反應(yīng)區(qū)里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是最強(qiáng)的，并且可以單獨(dú)測(cè)量。根據(jù)天線的種類，某一種場(chǎng)會(huì)成為主導(dǎo)。例如環(huán)形天線主要是磁場(chǎng)，環(huán)形天線就如同變壓器的初級(jí)，因?yàn)樗a(chǎn)生的磁場(chǎng)很大。

3.近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界、運(yùn)行頻段的波長(zhǎng)如圖所示。天線應(yīng)位于正弦波左側(cè)起始的位置。

輻射區(qū)內(nèi)，電磁場(chǎng)開始輻射，標(biāo)志著遠(yuǎn)場(chǎng)的開始。場(chǎng)的強(qiáng)度和天線的距離成反比(1/ r3)

圖3所示的過渡區(qū)是指近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的部分(有些模型沒有定義過渡區(qū))。圖中，遠(yuǎn)場(chǎng)開始于距離為2λ的地方。

遠(yuǎn)場(chǎng)

和近場(chǎng)類似，遠(yuǎn)場(chǎng)的起始也沒有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)為是2 λ，有堅(jiān)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(rèn)為應(yīng)該根據(jù)天線的最大尺寸D，距離為 50D2/λ。

還有人認(rèn)為近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的交界始于2D2/λ。也有人說遠(yuǎn)場(chǎng)起始于近場(chǎng)消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

遠(yuǎn)場(chǎng)是真正的無(wú)線電波。它在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬(wàn)英里/秒的速度傳播，相當(dāng)于光速。電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相支持并互相產(chǎn)生，信號(hào)強(qiáng)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(xiàn)象。

麥克斯韋方程組

19世紀(jì)70年代末，在無(wú)線電波發(fā)明之前，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋預(yù)測(cè)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(dá)電磁場(chǎng)是如何相互產(chǎn)生和傳播的，并斷定電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相依存、互相支持。19世紀(jì)80年代末，德國(guó)物理學(xué)家海因里希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。

麥克斯韋創(chuàng)造了四個(gè)基本方程，表達(dá)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和時(shí)間之間的關(guān)系。電場(chǎng)隨時(shí)間推移產(chǎn)生移動(dòng)電荷，也就是電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。另一組方式是說，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。天線發(fā)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(yīng)該記得包含一些不同的方程。

應(yīng)用

遠(yuǎn)場(chǎng)在空間中傳播的強(qiáng)度變化由Friis公式?jīng)Q定：

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中，Pr =接收功率;Pt =發(fā)射功率;Gr = 接收天線增益(功率比);Gt =發(fā)射天線增益(功率比);r=到天線的距離。公式在視線所及的無(wú)障礙開闊空間中適用。

這里有兩個(gè)問題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比，和波長(zhǎng)的平方成正比，也就是說，波長(zhǎng)較長(zhǎng)、頻率較低的電磁波傳的更遠(yuǎn)。例如，同等的功率和天線增益下，900MHz的信號(hào)會(huì)比2.4GHz的信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)。這一公式也常常用它來分析現(xiàn)代無(wú)線應(yīng)用的信號(hào)強(qiáng)度。

為了準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的傳播，還必須了解天線在遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射模式。在近場(chǎng)的反應(yīng)區(qū)里，接收天線可能會(huì)和發(fā)射天線會(huì)由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯(cuò)誤的結(jié)果。另一方面，如果有特定的測(cè)量?jī)x器，近場(chǎng)的輻射模式就可以準(zhǔn)確測(cè)量。

近場(chǎng)在通信領(lǐng)域也很有用。近場(chǎng)模式可以用于射頻識(shí)別(RFID)和近場(chǎng)通信(NFC)。

RFID是條形碼的電子版，它是一個(gè)內(nèi)部有芯片的很薄的標(biāo)簽，其中芯片集成了存儲(chǔ)和特定的電子代碼，可以用作識(shí)別、最總或其他用途。標(biāo)簽還包含一個(gè)被動(dòng)收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時(shí)候，由閱讀器發(fā)出的很強(qiáng)的RF信號(hào)就會(huì)被標(biāo)簽識(shí)別。閱讀器和標(biāo)簽的天線都是環(huán)形天線，相當(dāng)于變壓器的初級(jí)和次級(jí)。

由標(biāo)簽識(shí)別的信號(hào)經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流，為標(biāo)簽存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上，用于識(shí)別和處理。主動(dòng)標(biāo)簽有時(shí)會(huì)用到電池，將感應(yīng)距離延長(zhǎng)到近場(chǎng)以外的地方。RIFD標(biāo)簽的頻率范圍各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz，波長(zhǎng)為：

λ = 300/fMHz

λ = 300/fMHz

λ = 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm

λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm

因此根據(jù)近場(chǎng)距離計(jì)算公式：

λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)

λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (約2英寸)

感應(yīng)距離通常超過這一數(shù)字，所以這一頻率下距離實(shí)際上也延伸到了遠(yuǎn)場(chǎng)。

NFC也采用了存儲(chǔ)和類似于信用卡的特定代碼。電池驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)器可以把代碼發(fā)射到閱讀器上。NFC也使用近場(chǎng)，范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長(zhǎng)為：

λ = 300/fMHz

λ = 300/fMHz

300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet

300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

近場(chǎng)距離為不超過：

λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet

λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

因?yàn)殡娏肯牡停瑢?shí)際的感應(yīng)距離很少超過1英尺。

NFC是部署“電子錢包”所使用的技術(shù)。通過電子錢包，消費(fèi)者可以無(wú)需信用卡，而用支持NFC的智能手機(jī)進(jìn)行付款。