【導(dǎo)讀】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(lái)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。可變的電磁場(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(méi)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(kāi)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
因此，從天線到近場(chǎng)的距離計(jì)算方法如下：
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(kāi)始輻射，標(biāo)志著遠(yuǎn)場(chǎng)的開(kāi)始。場(chǎng)的強(qiáng)度和天線的距離成反比(1/ r3)。
圖3所示的過(guò)渡區(qū)是指近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的部分(有些模型沒(méi)有定義過(guò)渡區(qū))。圖中，遠(yuǎn)場(chǎng)開(kāi)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(méi)有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)為是2λ，有堅(jiān)持說(shuō)是距離天線3 λ或10 λ以外。還有一種說(shuō)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(shuō)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(shuō)，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(méi)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
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(kāi)闊空間中適用。
這里有兩個(gè)問(wèn)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(shuō)，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(lái)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(guò)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 = 300/900 = 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 米 (約2英寸)
感應(yīng)距離通常超過(guò)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
300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺
近場(chǎng)距離為不超過(guò)：
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(guò)1英尺。
NFC是部署“電子錢包”所使用的技術(shù)。通過(guò)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。
電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)劃分
電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場(chǎng);另一部分電磁場(chǎng)能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場(chǎng)。
一般情況下，電磁輻射場(chǎng)根據(jù)感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)的不同而區(qū)分為近區(qū)場(chǎng)(感應(yīng)場(chǎng))和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)(輻射場(chǎng))。由于遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的劃分相對(duì)復(fù)雜，要具體根據(jù)不同的工作環(huán)境和測(cè)量目的進(jìn)行劃分，一般而言，以場(chǎng)源為中心，在三個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場(chǎng)，也可稱為感應(yīng)場(chǎng);在以場(chǎng)源為中心，半徑為三個(gè)波長(zhǎng)之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，也可稱為輻射場(chǎng)。
近區(qū)場(chǎng)通常具有如下特點(diǎn)：
近區(qū)場(chǎng)內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沒(méi)有確定的比例關(guān)系。即：E¹377H。一般情況下，對(duì)于電壓高電流小的場(chǎng)源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場(chǎng)要比磁場(chǎng)強(qiáng)得多，對(duì)于電壓低電流大的場(chǎng)源(如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模具)，磁場(chǎng)要比電場(chǎng)大得多。
近區(qū)場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)大得多。從這個(gè)角度上說(shuō)，電磁防護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該在近區(qū)場(chǎng)。
近區(qū)場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化比較快，在此空間內(nèi)的不均勻度較大。
遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下：
在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，這種場(chǎng)輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場(chǎng)慢得多。
在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：在國(guó)際單位制中，E=377H，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的運(yùn)行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。
遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為弱場(chǎng)，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度均較小
近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)劃分的意義：
通常，對(duì)于一個(gè)固定的可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁輻射源來(lái)說(shuō)，近區(qū)場(chǎng)輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，所以，應(yīng)該格外注意對(duì)電磁輻射近區(qū)場(chǎng)的防護(hù)。對(duì)電磁輻射近區(qū)場(chǎng)的防護(hù)，首先是對(duì)作業(yè)人員及處在近區(qū)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的人員的防護(hù)，其次是對(duì)位于近區(qū)場(chǎng)內(nèi)的各種電子、電氣設(shè)備的防護(hù)。而對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，由于電磁場(chǎng)強(qiáng)較小，通常對(duì)人的危害較小。
對(duì)我們最經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長(zhǎng)范圍從10米到0.1米。
場(chǎng)區(qū)的具體劃分
場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系
以r表示測(cè)量點(diǎn)到輻射源的距離，則在該點(diǎn)的感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度與r2至r3成反比，輻射場(chǎng)強(qiáng)度與r成反比(因此，輻射場(chǎng)強(qiáng)度與距離r的乘積與r無(wú)關(guān)，稱為場(chǎng)強(qiáng)距離乘積)。在靠近輻射源的地方，隨著距離r的減小，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度急劇增加。
近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的劃分
當(dāng)測(cè)量距離r=λ/2π≈λ/6時(shí)，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度與輻射場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)。在距離輻射源比較近(r<λ/6)的地方，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度大于輻射場(chǎng)強(qiáng)度，稱為近場(chǎng)(區(qū))或感應(yīng)場(chǎng)區(qū)，較遠(yuǎn)的地方(r>λ/6)則相反，輻射場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)(區(qū))或輻射場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的提法被廣為使用，但在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其劃分界限不統(tǒng)一。也稱為近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。
一般當(dāng)r大于3λ時(shí)，可忽略感應(yīng)場(chǎng)的成份，認(rèn)為處于遠(yuǎn)場(chǎng)(區(qū))。
當(dāng)輻射源尺度與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，還可將輻射場(chǎng)區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的定義是，“輻射場(chǎng)強(qiáng)度角分布基本上與距天線的距離無(wú)關(guān)的場(chǎng)區(qū)”，在輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，將天線上各點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的連線當(dāng)作是平行的，所引入的誤差小于一定的限度。如天線尺寸為D，則遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)距離應(yīng)大于2D2/λ。當(dāng)輻射源尺寸D的數(shù)量級(jí)小于波長(zhǎng)λ時(shí)(2D2/λ<λ/6，D<λ/3.5)，輻射近場(chǎng)區(qū)范圍小于感應(yīng)場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)區(qū)全部是輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。
如果測(cè)量天線為微波段的面天線，而且尺寸較大，所測(cè)輻射源與測(cè)量天線的距離大于2D2/λ認(rèn)為是輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。
由以上公式可見(jiàn)，近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的劃分界限與輻射源頻率(波長(zhǎng))有關(guān)。
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