天线近场和远场的区别

2019-06-04 14:31:44 783

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。

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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。

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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。

    通常,天线周围场,划分为三个区域:无功所场区,辐射近场区和辐射远场区。

       射频信号加载到天线后,紧邻天线除了辐射场之外,还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比,随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域,由于电抗场占优势,因而将此区域称为电抗近场区,它的外界约为 λ/2π。超过电抗近场区就到了辐射场区,按照与天线距离的远近,又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。

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无功近场区:    

       又称为电抗近场区,是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中,电抗性储能场占支配地位,该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。从物理概念上讲,无功近场区是一个储能场,其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换,是一种感应场。

辐射近场区:

       超过电抗近场区就到了辐射场区,辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚,并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近,又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中,辐射场占优势,并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线,此区域也称为菲涅尔区。

辐射远场区:

     通常所说的远场区,又称为夫朗荷费区。在该区域中,辐射场的角分布与距离无关。严格地讲,只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。

    公认为,辐射近场区与远场区的分界距离R为:2D*D/λ。见下图。

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  其中,图是的D为天线直径;为天线波长,D>>λ。

   要进一步说明的是:辐射场中,能量是以电磁波形式向外传播,无功近场中射频能量以磁场、电场形式相互转换,并不向外传播。

  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。

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。 

  麦克斯韦方程组

  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。

  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。

  应用远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定:

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Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

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。

  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。

  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。