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电磁场近场和远场的差别(一)

2020.9.28

无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。

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。

电磁波

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。

20160926040302843.jpg

1.围绕着半波偶极子的电磁场包括一个电场(a)和一个磁场(b)。电磁场均为球形且互成直角。

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。

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。

20160926040358518.jpg

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。

近场

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:

λ= 300/fMHz
λ= 300/fMHz

因此,从天线到近场的距离计算方法如下:

λ/2π = 0.159λ
λ/2π = 0.159λ

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。

20160926040414712.jpg

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。

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)。

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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