电磁场的近场和远场有什么差别.docx

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电磁场的近场和远场有什么差别

电磁场的近场和远场有什么差别？

作者：

LouFrenzel    

上网时间：

2012年08月15日

所属类别:

RF/微波IRF/无线I观点与趋势

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关键字:

电磁场近场  电磁场远场  电磁波  NFC

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。

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。

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

因此，从天线到近场的距离计算方法如下：

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。

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。

远场

和近场类似，远场的起始也没有统一的定义。

有认为是2λ，有坚持说是距离天线3λ或10λ以外。

还有一种说法是5λ/2π，另有人认为应该根据天线的最大尺寸D，距离为50D2/λ。

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，就是前文提到的λ/2π。

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：

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。

近场在通信领域也很有用。

近场模式可以用于射频识别（RFID）和近场通信（NFC）。

RFID是条形码的电子版，它是一个内部有芯片的很薄的标签，其中芯片集成了存储和特定的电子代码，可以用作识别、最总或其他用途。

标签还包含一个被动收发器，在接近“阅读器”的时候，由阅读器发出的很强的RF信号就会被标签识别。

阅读器和标签的天线都是环形天线，相当于变压器的初级和次级。

由标签识别的信号经过整流滤波转换成直流，为标签存储和转发供能。

发射器将代码发送到阅读器上，用于识别和处理。

主动标签有时会用到电池，将感应距离延长到近场以外的地方。

RIFD标签的频率范围各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz，波长为：

λ=300/fMHz

λ=300/900=0.333米或33.33cm

因此根据近场距离计算公式：

λ/2π=0.159λ=0.159（0.333）=0.053米（约2英寸）

感应距离通常超过这一数字，所以这一频率下距离实际上也延伸到了远场。

NFC也采用了存储和类似于信用卡的特定代码。

电池驱动的内部转发器可以把代码发射到阅读器上。

NFC也使用近场，范围一般为几英寸。

NFC的频率为13.56MHz，因此波长为：

λ=300/fMHz

300/13.56=22.1米或72.6英尺

近场距离为不超过：

λ/2π=0.159λ=0.148（72.6）=11.5英尺

因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。

NFC是部署“电子钱包”所使用的技术。

通过电子钱包，消费者可以无需信用卡，而用支持NFC的智能手机进行付款。

参考资料

1.Cheung,W.S.andLevien,F.H.,MicrowavesMadeSimple,PrinciplesandApplications,ArtechHouseInc.,1985.

2.OccupationalSafety&HealthAdministration,ElectromagneticRadiation:

FieldMemo,1990.

3.Straw,R.D.（Editor）,TheARRLAntennaBook,AmericanRadioRelayLeague,1997-8.

4.Volakis,J.L.,AntennaEngineeringHandbook,4thedition,McGraw-Hill,2007.

下一页中英文对照参考:

文章来源:

美国版《电子系统设计》（ElectronicDesign）

What’sTheDifferenceBetweenEMNearFieldAndFarField?

电磁场的近场和远场有什么差别？

Author:

LouFrenzel

作者：

LouFrenzel

RadiowavesshouldreallybecalledelectromagneticorEMwavessimplybecausetheyconsistofamagneticfieldandanelectricfield.Asignalfromatransmitterappliedtoanantennageneratesthefields.Theantennaisthetransducerandinterfacetofreespace.

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。

Asitturnsout,anelectromagneticfield’scharacteristicschangedependingonthedistancefromtheantenna.Thisvaryingfieldistypicallydividedintotwosegments—thenearfieldandthefarfield.Agoodknowledgeoftheirdifferencesgoesalongwaytowardunderstandingradio-wavepropagation.

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。

ElectromagneticWaves

电磁波

Figure1showshowaclassichalf-wavedipoleantennacreatestheelectricandmagneticfields.Thetransmittedsignalisamodulatedsine-wavevoltagealternatinginpolarity,producinganelectric（E）fieldbetweentheantennaelementsthatswitchespolarityeachhalfcycle.Currentintheantennaelementsproducesamagnetic（H）fieldthatchangesorientationeachhalfcycle.Thefieldsareatrightanglestooneanother.

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。

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。

1.Theelectromagneticfieldaroundahalfwavedipoleconsistsofanelectric（E）field（a）andamagnetic（H）field（b）.Thefieldsaresphericalandcutacrossoneanotheratrightangles.

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

Thefieldsaroundtheantennaaresphericalorcurved,especiallynearthean