【導(dǎo)讀】無線電波應(yīng)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(fā)射器、經(jīng)由天線發(fā)出的信號會產(chǎn)生電磁場，天線是信號到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口。
因此，電磁場的特性變化取決于與天線的距離。可變的電磁場經(jīng)常劃分為兩部分——近場和遠(yuǎn)場。要清楚了解二者的區(qū)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(chǎn)生電場和磁場的。轉(zhuǎn)發(fā)后的信號被調(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，極性每半個周期變換一次。天線元件的電流產(chǎn)生磁場，方向每半個周期變換一次。電磁場互為直角正交。
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(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。
雖然電磁場存在于天線周圍，但他們會向外擴(kuò)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(chǎn)生，這樣的“獨立”波就是無線電波。
2.距離天線一定范圍內(nèi)，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(nèi)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(yīng)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
因此，從天線到近場的距離計算方法如下：
λ/2π = 0.159λ
圖3標(biāo)出了輻射出的正弦波和近場、遠(yuǎn)場。近場通常分為兩個區(qū)域，反應(yīng)區(qū)和輻射區(qū)。在反應(yīng)區(qū)里，電場和磁場是最強(qiáng)的，并且可以單獨測量。根據(jù)天線的種類，某一種場會成為主導(dǎo)。例如環(huán)形天線主要是磁場，環(huán)形天線就如同變壓器的初級，因為它產(chǎn)生的磁場很大。
3.近場和遠(yuǎn)場的邊界、運行頻段的波長如圖所示。天線應(yīng)位于正弦波左側(cè)起始的位置。
輻射區(qū)內(nèi)，電磁場開始輻射，標(biāo)志著遠(yuǎn)場的開始。場的強(qiáng)度和天線的距離成反比(1/ r3)。
圖3所示的過渡區(qū)是指近場和遠(yuǎn)場之間的部分(有些模型沒有定義過渡區(qū))。圖中，遠(yuǎn)場開始于距離為2λ的地方。
遠(yuǎn)場
和近場類似，遠(yuǎn)場的起始也沒有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)為是2λ，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(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)為近場遠(yuǎn)場的交界始于2D2/λ。也有人說遠(yuǎn)場起始于近場消失的地方，就是前文提到的λ/2π。
遠(yuǎn)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(dāng)于光速。電場和磁場互相支持并互相產(chǎn)生，信號強(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)電磁場是如何相互產(chǎn)生和傳播的，并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。19世紀(jì)80年代末，德國物理學(xué)家海因里希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場理論。
麥克斯韋創(chuàng)造了四個基本方程，表達(dá)電場、磁場和時間之間的關(guān)系。電場隨時間推移產(chǎn)生移動電荷，也就是電流，從而產(chǎn)生磁場。另一組方式是說，變化的磁場可以產(chǎn)生電場。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(yuǎn)。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(yuǎn)。這一公式也常常用它來分析現(xiàn)代無線應(yīng)用的信號強(qiáng)度。
為了準(zhǔn)確測量信號的傳播，還必須了解天線在遠(yuǎn)場的輻射模式。在近場的反應(yīng)區(qū)里，接收天線可能會和發(fā)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(jié)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(zhǔn)確測量。
近場在通信領(lǐng)域也很有用。近場模式可以用于射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。
RFID是條形碼的電子版，它是一個內(nèi)部有芯片的很薄的標(biāo)簽，其中芯片集成了存儲和特定的電子代碼，可以用作識別、最總或其他用途。標(biāo)簽還包含一個被動收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時候，由閱讀器發(fā)出的很強(qiáng)的RF信號就會被標(biāo)簽識別。閱讀器和標(biāo)簽的天線都是環(huán)形天線，相當(dāng)于變壓器的初級和次級。
由標(biāo)簽識別的信號經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流，為標(biāo)簽存儲和轉(zhuǎn)發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上，用于識別和處理。主動標(biāo)簽有時會用到電池，將感應(yīng)距離延長到近場以外的地方。RIFD標(biāo)簽的頻率范圍各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。
在900MHz，波長為：
λ = 300/fMHz
λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm
因此根據(jù)近場距離計算公式：
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (約2英寸)
感應(yīng)距離通常超過這一數(shù)字，所以這一頻率下距離實際上也延伸到了遠(yuǎn)場。
NFC也采用了存儲和類似于信用卡的特定代碼。電池驅(qū)動的內(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，范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長為：
λ = 300/fMHz
300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺
近場距離為不超過：
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺
因為電量消耗低，實際的感應(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，消費者可以無需信用卡，而用支持NFC的智能手機(jī)進(jìn)行付款。
電磁場的遠(yuǎn)場和近場劃分
電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)不同的兩個部分，其中一部分電磁場能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場;另一部分電磁場能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場。
一般情況下，電磁輻射場根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同而區(qū)分為近區(qū)場(感應(yīng)場)和遠(yuǎn)區(qū)場(輻射場)。由于遠(yuǎn)場和近場的劃分相對復(fù)雜，要具體根據(jù)不同的工作環(huán)境和測量目的進(jìn)行劃分，一般而言，以場源為中心，在三個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場，也可稱為感應(yīng)場;在以場源為中心，半徑為三個波長之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場，也可稱為輻射場。
近區(qū)場通常具有如下特點：
近區(qū)場內(nèi)，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系。即：E¹377H。一般情況下，對于電壓高電流小的場源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場要比磁場強(qiáng)得多，對于電壓低電流大的場源(如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模具)，磁場要比電場大得多。
近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場大得多。從這個角度上說，電磁防護(hù)的重點應(yīng)該在近區(qū)場。
近區(qū)場的電磁場強(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)場的主要特點如下：
在遠(yuǎn)區(qū)場中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，這種場輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場慢得多。
在遠(yuǎn)區(qū)場，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度有如下關(guān)系：在國際單位制中，E=377H，電場與磁場的運行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。
遠(yuǎn)區(qū)場為弱場，其電磁場強(qiáng)度均較小
近區(qū)場與遠(yuǎn)區(qū)場劃分的意義：
通常，對于一個固定的可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁輻射源來說，近區(qū)場輻射的電磁場強(qiáng)度較大，所以，應(yīng)該格外注意對電磁輻射近區(qū)場的防護(hù)。對電磁輻射近區(qū)場的防護(hù)，首先是對作業(yè)人員及處在近區(qū)場環(huán)境內(nèi)的人員的防護(hù)，其次是對位于近區(qū)場內(nèi)的各種電子、電氣設(shè)備的防護(hù)。而對于遠(yuǎn)區(qū)場，由于電磁場強(qiáng)較小，通常對人的危害較小。
對我們最經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長范圍從10米到0.1米。
場區(qū)的具體劃分
場強(qiáng)與距離的關(guān)系
以r表示測量點到輻射源的距離，則在該點的感應(yīng)場強(qiáng)度與r2至r3成反比，輻射場強(qiáng)度與r成反比(因此，輻射場強(qiáng)度與距離r的乘積與r無關(guān)，稱為場強(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)場強(qiáng)度急劇增加。
近場與遠(yuǎn)場的劃分
當(dāng)測量距離r=λ/2π≈λ/6時，感應(yīng)場強(qiáng)度與輻射場強(qiáng)度相當(dāng)。在距離輻射源比較近(r<λ/6)的地方，感應(yīng)場強(qiáng)度大于輻射場強(qiáng)度，稱為近場(區(qū))或感應(yīng)場區(qū)，較遠(yuǎn)的地方(r>λ/6)則相反，輻射場占優(yōu)勢，稱為遠(yuǎn)場(區(qū))或輻射場區(qū)。近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(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)場和遠(yuǎn)區(qū)場。
一般當(dāng)r大于3λ時，可忽略感應(yīng)場的成份，認(rèn)為處于遠(yuǎn)場(區(qū))。
當(dāng)輻射源尺度與波長可比擬時，還可將輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)。輻射遠(yuǎn)場區(qū)的定義是，“輻射場強(qiáng)度角分布基本上與距天線的距離無關(guān)的場區(qū)”，在輻射遠(yuǎn)場區(qū)，將天線上各點到測量點的連線當(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)場區(qū)距離應(yīng)大于2D2/λ。當(dāng)輻射源尺寸D的數(shù)量級小于波長λ時(2D2/λ<λ/6，D<λ/3.5)，輻射近場區(qū)范圍小于感應(yīng)場區(qū)，輻射場區(qū)全部是輻射遠(yuǎn)場區(qū)。
如果測量天線為微波段的面天線，而且尺寸較大，所測輻射源與測量天線的距離大于2D2/λ認(rèn)為是輻射遠(yuǎn)場區(qū)。
由以上公式可見，近場與遠(yuǎn)場的劃分界限與輻射源頻率(波長)有關(guān)。
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