Ближнее и дальнее поле - Near and far field

Различия между Фраунгофера дифракция и Дифракция Френеля

В ближнее поле и дальнее поле регионы электромагнитное поле (EM) вокруг объекта, например, передающего антенна, или результат рассеяния излучения от объекта. Неизлучательное поведение «ближнего поля» преобладает вблизи антенны или рассеивающего объекта, в то время как электромагнитное излучение На больших расстояниях преобладает поведение «дальнего поля».

Напряженность поля E (электрическое) и B (магнитное) в дальнем поле уменьшается по мере удаления от источника, что приводит к закон обратных квадратов для излучаемых мощность интенсивность электромагнитное излучение. Напротив, напряженность ближнего поля E и B уменьшается быстрее с расстоянием: излучающее поле уменьшается на обратный квадрат расстояния, реактивное поле - на обратный кубический закон, что приводит к уменьшению мощности в частях электрического поля на величину обратная четвертая и шестая степени соответственно. Быстрое падение мощности в ближнем поле гарантирует, что эффекты ближнего поля по существу исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны.

Резюме регионов и их взаимодействия

Ближнее поле: Этот дипольный рисунок показывает магнитное поле

{ displaystyle { overrightarrow { mathbf {B}}}}

в красном. Потенциальная энергия, мгновенно сохраненная в этом магнитном поле, указывает на реактивное ближнее поле.

Дальнее поле: Диаграмма направленности может распространяться в дальнее поле, где запасенная реактивная энергия не имеет существенного значения.

Дальнее поле - это область, в которой поле действует как «нормальное». электромагнитное излучение. В этом регионе преобладают электрический или же магнитные поля с электрический диполь характеристики. Ближнее поле регулируется поля мультипольного типа, которые можно рассматривать как наборы диполей с фиксированной фазовые отношения. Граница между двумя регионами определена нечетко и зависит от доминирующего длина волны ( $λ$ ), испускаемый источником, и размер излучающего элемента.

В дальней зоне антенны излучаемая мощность уменьшается по мере увеличения квадрат расстояния, и поглощение излучения не передает обратно на передатчик. Однако в ближней зоне поглощение излучения влияет на нагрузку передатчика. Магнитная индукция как видно в трансформатор можно рассматривать как очень простой пример этого типа электромагнитного взаимодействия в ближней зоне.

В дальней зоне каждая часть электромагнитного поля (электрическая и магнитная) «создается» (или связана с) изменением другой части, а соотношение напряженности электрического и магнитного поля просто волновое сопротивление. Однако в ближней зоне электрическое и магнитное поля могут существовать независимо друг от друга, и один тип поля может доминировать над другим.

В нормально работающей антенне положительный и отрицательный заряды не могут уйти и отделены друг от друга «сигналом» возбуждения (передатчиком или другим возбуждающим потенциалом ЭМ). Это генерирует колеблющийся (или реверсивный) электрический диполь, который влияет как на ближнее, так и на дальнее поле. Как правило, антенны предназначены для беспроводной связи на больших расстояниях с использованием дальних полей, и это их основная область работы (однако некоторые антенны предназначены для связь ближнего поля существуют).

Дальнее поле, также известное как поле зоны излучения, несет относительно однородную волновую структуру. Зона излучения важна, потому что дальние поля обычно уменьшаются по амплитуде на $1∕ р$ . Это означает, что общая энергия на единицу площади на расстоянии $р$ пропорционально $1∕ р 2$ . Площадь сферы пропорциональна $р 2$ , поэтому полная энергия, проходящая через сферу, постоянна. Это означает, что энергия дальнего поля фактически уходит на бесконечное расстояние (она излучает).

Напротив, ближнее поле относится к таким областям, как около проводников и внутри поляризуемой среды, где распространение электромагнитных волн затруднено. Одним из наглядных примеров является изменение уровня шума, воспринимаемое набором кроличье ухо антенны, когда кто-то помещает часть тела на близком расстоянии. Ближнее поле вызывает растущий интерес, особенно при разработке емкостное зондирование технологии, например, используемые в сенсорных экранах смартфонов и планшетных компьютеров.

Взаимодействие со средой (например, емкость тела) может вызвать отклонение энергии обратно к источнику, как это происходит в реактивный ближнее поле. Или взаимодействие со средой может не возвращать энергию обратно к источнику, но вызывать искажение электромагнитной волны, которое значительно отличается от того, что находится в свободном пространстве, и это указывает на то, что радиационный область ближнего поля, которая находится несколько дальше. Другой промежуточный регион, названный переходная зона, определяется на несколько иной основе, а именно на геометрии антенны и длине волны возбуждения.

Определения

Разделение электрического и магнитного полей на компоненты является математическим, а не чисто физическим, и основано на относительных скоростях, с которыми амплитуда частей электрического и магнитного полей уменьшается по мере увеличения расстояния от излучающего элемента. Амплитуды компонент дальнего поля убывают как ${ displaystyle 1 / r}$ , то радиационный амплитуды ближнего поля убывают как ${ displaystyle 1 / r ^ {2}}$ , а реактивный амплитуды ближнего поля убывают как ${ displaystyle 1 / r ^ {3}}$ .^[а] Определения регионы попытаться охарактеризовать места, где активность связанного поля составные части самые сильные. Математически различие между компоненты поля очень ясно, но разграничение пространственного полевые регионы субъективно. Все поля перекрываются повсюду, поэтому, например, всегда есть существенные радиационные компоненты дальнего и ближнего поля в ближайшей реактивной области ближнего поля.

В областях, определенных ниже, классифицируется поведение полей, которое может изменяться даже в пределах интересующей области. Таким образом, границы этих областей являются приблизительными. эмпирические правила, поскольку между ними нет точных границ: все поведенческие изменения с расстоянием - плавные. Даже когда в некоторых случаях могут быть определены точные границы, в первую очередь на основе типа антенны и размера антенны, эксперты могут по-разному использовать номенклатуру для описания регионов. Из-за этих нюансов следует проявлять особую осторожность при интерпретации технической литературы, в которой обсуждаются области «дальнего поля» и «ближнего поля».

Термин «ближняя зона» (также известный как «ближняя зона» или «ближняя зона») имеет следующие значения в отношении различных телекоммуникации технологии:

Приближенный район антенна где угловой поле распределение зависит от расстояния от антенны.
При исследовании дифракции и конструкции антенн ближнее поле - это та часть излучаемого поля, которая находится на расстояниях меньше, чем Расстояние Фраунгофера,^[1] который дается ${ displaystyle d _ { text {F}} = { frac {2D ^ {2}} { lambda}}}$ от источника дифрагирующей кромки или антенны долготы или диаметра $D$ .
В оптоволокно коммуникации, область вблизи источника или отверстие это ближе, чем Длина Рэлея. (Предполагается, что гауссов пучок подходит для волоконной оптики.)

Области по электромагнитной длине

Наиболее удобной практикой является определение размеров областей или зон в виде фиксированных чисел (долей) длин волн, удаленных от центра излучающей части антенны, с четким пониманием того, что выбранные значения являются лишь приблизительными и будут несколько не подходит для разных антенн в разных условиях. Выбор значений отсечки основан на относительных величинах амплитуд компонент поля, которые обычно наблюдаются в обычной практике.

Электромагнитно короткие антенны

Области поля для антенн, равные половине длины волны излучаемого ими излучения или короче, чем половина длины волны излучения, которое они излучают, например, штыревой антенны гражданского радиоприемника или вышки радиовещания AM.

Для антенн короче половины длины волны испускаемого ими излучения (т.е. электромагнитно «короткие» антенны) дальние и ближние региональные границы измеряются в терминах простого отношения расстояния $р$ от излучающий источник к длина волны $λ$ излучения. Для такой антенны ближнее поле - это область в радиусе $р ≪ λ$ , а дальнее поле - это область, для которой $р ≫ 2 λ$ . Переходная зона - это область между $р = λ$ и $р = 2 λ$ .

Обратите внимание, что $D$ длина антенны не важна, и приближение одинаково для всех более коротких антенн (иногда идеализированных как так называемые «точечные антенны»). Во всех таких антеннах короткая длина означает, что заряды и токи в каждой подсекции антенны в любой момент времени одинаковы, поскольку антенна слишком коротка, чтобы напряжение РЧ-передатчика изменилось на противоположное, прежде чем его влияние на заряды и токи не изменится. на ощупь по всей длине антенны.

Электромагнитно длинные антенны

Для антенн, которые физически больше половины длины волны излучаемого ими излучения, ближнее и дальнее поля определяются в терминах Расстояние Фраунгофера. Названный в честь Йозеф фон Фраунгофер, следующая формула дает Расстояние Фраунгофера:

{ displaystyle d _ { text {F}} ; = ; { frac {2D ^ {2}} { lambda}} ,,}

куда $D$ это самый большой размер радиатора (или диаметр из антенна ) и $λ$ это длина волны радио волна. Любое из следующих двух соотношений эквивалентно, подчеркивая размер области с точки зрения длин волн. $λ$ или диаметры $D$ :

{ displaystyle d _ { text {F}} ; = ; 2 , { left ({D over lambda} right)} ^ {2} ; lambda ; = ; 2 , { left ({D over lambda} right)} , D ,,}

Это расстояние обеспечивает границу между ближним и дальним полем. Параметр $D$ соответствует физической длине антенны или диаметру "тарелочной" антенны.

Наличие антенны с электромагнитной длиной, превышающей половину доминирующей излучаемой длины волны, значительно увеличивает эффекты ближнего поля, особенно сфокусированные антенны. И наоборот, когда данная антенна излучает высокочастотное излучение, она будет иметь область ближнего поля, большую, чем то, что подразумевается под более короткой длиной волны.

Кроме того, расстояние в дальней зоне $d F$ должен удовлетворять этим двум условиям.^[2]^{[требуется разъяснение ]}

{ displaystyle d _ { text {F}} gg D ,}

{ displaystyle d _ { text {F}} gg lambda ,}

куда $D$ - наибольший физический линейный размер антенны и $d F$ расстояние в дальней зоне. Расстояние в дальней зоне - это расстояние от передающей антенны до начала области Фраунгофера или дальнего поля.

Переходная зона

«Переходная зона» между этими областями ближнего и дальнего поля, простирающаяся на расстоянии от одной до двух длин волн от антенны,^{[нужна цитата ]} является промежуточной областью, в которой важны эффекты как ближнего, так и дальнего поля. В этой области поведение ближнего поля исчезает и перестает быть важным, оставляя эффекты дальнего поля в качестве доминирующих взаимодействий. (См. Изображение «Дальнее поле» выше.)

Области согласно дифракционным характеристикам

Области ближнего и дальнего поля для антенны больше (диаметр или длина D), чем длина волны излучаемого ею излучения, так что D⁄λ 1. Примерами являются радиолокационные антенны и другие направленные антенны.

Области ближнего и дальнего поля для антенны большего диаметра или длины

D

), чем длина волны излучаемого излучения, так что ^$D$⁄_$λ$ ≫ 1 . Примерами являются радиолокационные тарелки, спутниковые тарелочные антенны, радиотелескопы и другие высоконаправленные антенны.

Дифракция в дальней зоне

Что касается источников акустических волн, если источник имеет максимальный габаритный размер или ширину апертуры ( $D$ ), что велико по сравнению с длиной волны $λ$ , область дальней зоны обычно считается существующей на расстояниях, когда параметр Френеля ${ displaystyle S}$ больше 1:^[3]

{ displaystyle S = {{4 lambda} over D ^ {2}} r> 1, ; { text {for}} ; r> r _ { text {F}} = {D ^ {2 } over {4 lambda}}.}

Для луч сфокусированный на бесконечности, дальнюю область иногда называют «областью Фраунгофера». Другие синонимы - «дальнее поле», «дальняя зона» и «поле излучения». Любой электромагнитное излучение состоит из электрическое поле компонент $E$ и магнитное поле компонент $ЧАС$ . В дальней зоне соотношение между составляющей электрического поля $E$ и магнитная составляющая $ЧАС$ является той характеристикой любой свободно распространяющейся волны, где $E$ и $ЧАС$ иметь равные величины в любой точке пространства (если измеряется в единицах, где $c$ = 1).

Дифракция в ближней зоне

В отличие от дальнего поля, дифракция Картина в ближнем поле обычно значительно отличается от наблюдаемой на бесконечности и меняется с расстоянием от источника. В ближнем поле соотношение между $E$ и $ЧАС$ становится очень сложным. Кроме того, в отличие от дальнего поля, где электромагнитные волны обычно характеризуются одним поляризация типа (горизонтальный, вертикальный, круговой или эллиптический), все четыре типа поляризации могут присутствовать в ближнем поле.^[4]

«Ближнее поле» - это область, в которой есть сильные индуктивные и емкостные эффекты от токов и зарядов в антенне, которые вызывают электромагнитные компоненты, которые не ведут себя как излучение в дальней зоне. Эти эффекты уменьшаются в мощности намного быстрее с расстоянием, чем эффекты излучения в дальней зоне. Нераспространяющиеся (или нераспространяющиеся) поля очень быстро затухают с увеличением расстояния, поэтому их влияние почти исключительно ощущается в ближней зоне.

Кроме того, в части ближнего поля, ближайшей к антенне (называемой «реактивным ближним полем», Смотри ниже ), поглощение электромагнитной энергии в этом районе вторым устройством имеет эффекты, которые возвращаются в передатчик, увеличивая нагрузку на передатчик, который питает антенну, за счет уменьшения импеданса антенны, который передатчик «видит». Таким образом, передатчик может определять, когда мощность поглощается в ближайшей зоне ближнего поля (второй антенной или каким-либо другим объектом), и вынужден подавать дополнительную мощность на свою антенну и потреблять дополнительную мощность от собственного источника питания, тогда как если там не потребляется мощность, передатчик не должен подавать дополнительную мощность.

Характеристики ближнего поля

Различия между Фраунгофера дифракция и Дифракция Френеля.

Само ближнее поле далее делится на реактивный ближнее поле и радиационный ближнее поле. Обозначения «реактивного» и «радиационного» ближнего поля также являются функцией длины волны (или расстояния). Однако эти граничные области составляют долю одной длины волны в ближнем поле. Внешняя граница реактивной ближней зоны обычно считается расстоянием ${ displaystyle { tfrac {1} {2 pi}}}$ умноженное на длину волны, т. е. ${ Displaystyle { tfrac { lambda} {2 pi}}}$ или же $0.159 \times λ$ ) с поверхности антенны. Реактивное ближнее поле также называется «индуктивным» ближним полем. Излучательное ближнее поле (также называемое «областью Френеля») покрывает оставшуюся часть ближнего поля от ${ displaystyle { tfrac { lambda} {2 pi}}}$ на расстояние Фраунгофера.^[4]

Реактивное ближнее поле или ближайшая часть ближнего поля

В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) соотношение сил $E$ и $ЧАС$ поля часто слишком сложны, чтобы их легко предсказать, и трудно измерить. Любой компонент поля ( $E$ или же $ЧАС$ ) могут доминировать в одной точке, а противоположные отношения - в точке, находящейся на небольшом расстоянии. Это заставляет найти истинное удельная мощность в этом регионе проблематично. Это потому, что для расчета мощности не только $E$ и $ЧАС$ оба должны быть измерены, но фазовые отношения между $E$ и $ЧАС$ а также угол между двумя векторами должен быть известен в каждой точке пространства.^[4]

В этой реактивной области не только излучается электромагнитная волна, излучаемая наружу в далекое пространство, но и присутствует «реактивный» компонент электромагнитного поля, что означает, что природа поля вокруг антенны чувствительна к поглощению электромагнитного излучения в этой области, и реагирует на это. Напротив, это неверно для поглощения вдали от антенны, которое не влияет на ближнее поле передатчика или антенны.

Очень близко к антенне, в реактивной области, энергия определенного количества, если оно не поглощается приемником, задерживается и хранится очень близко к поверхности антенны. Эта энергия переносится назад и вперед от антенны в реактивное ближнее поле электромагнитным излучением того типа, которое медленно изменяется. электростатический и магнитостатические эффекты. Например, ток, протекающий в антенне, создает чисто магнитную составляющую в ближнем поле, которая затем схлопывается, когда ток в антенне начинает реверсировать, вызывая передачу магнитной энергии поля обратно электронам в антенне, поскольку изменяющееся магнитное поле вызывает самопроизвольное -индуктивное воздействие на антенну, которая его породила. Это возвращает энергию антенне регенерирующим образом, чтобы она не терялась. Аналогичный процесс происходит, когда электрический заряд накапливается в одной секции антенны под давлением сигнального напряжения и вызывает локальное электрическое поле вокруг этой секции антенны из-за собственная емкость. Когда сигнал меняется на противоположный, так что заряд снова может уйти из этой области, создаваемое электрическое поле помогает отталкивать электроны в новом направлении их потока, как при разрядке любого униполярного конденсатора. Это снова возвращает энергию току антенны.

Из-за этого эффекта накопления и возврата энергии, если индуктивный или электростатический эффект в реактивном ближнем поле передает любую энергию поля электронам в другом (соседнем) проводнике, то эта энергия теряется в первичной антенне. Когда это происходит, на передатчике наблюдается дополнительный сток, возникающий в результате невозвращаемой реактивной энергии ближнего поля. Этот эффект проявляется в различном импедансе антенны, видимом передатчиком.

Реактивная составляющая ближнего поля может давать неоднозначные или неопределенные результаты при попытках измерения в этой области. В других регионах плотность мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны. Однако в непосредственной близости от антенны уровень энергии может резко возрасти лишь при небольшом уменьшении расстояния до антенны. Эта энергия может отрицательно повлиять как на людей, так и на измерительное оборудование из-за задействованной высокой мощности.^[4]

Излучательное ближнее поле (область Френеля) или самая дальняя часть ближнего поля

Излучательное ближнее поле (иногда называемое Область Френеля) не содержит компонентов реактивного поля от исходной антенны, так как он находится на достаточно большом расстоянии от антенны, поэтому обратная связь полей становится не в фазе с сигналом антенны, и, следовательно, не может эффективно возвращать индуктивную или емкостную энергию от антенных токов или зарядов. . Таким образом, энергия в радиационном ближнем поле представляет собой всю лучистую энергию, хотя ее смесь магнитных и электрических компонентов все еще отличается от дальнего поля. Далее в радиационное ближнее поле (одна половина длины волны на одну длину волны от источника) $E$ и $ЧАС$ полевые отношения более предсказуемы, но $E$ к $ЧАС$ отношения по-прежнему сложные. Однако, поскольку излучающее ближнее поле по-прежнему является частью ближнего поля, существует вероятность возникновения непредвиденных (или неблагоприятных) условий.

Например, металлические объекты, такие как стальные балки, могут действовать как антенны, индуктивно принимая, а затем «переизлучая» часть энергии в ближнем поле излучения, образуя новую излучающую поверхность, которую следует учитывать. В зависимости от характеристик и частот антенны такая связь может быть гораздо более эффективной, чем простой прием антенны в еще более удаленном дальнем поле, поэтому на вторичную «антенну» в этой области может передаваться гораздо больше мощности, чем в случае с более удаленная антенна. Когда таким образом активируется вторичная излучающая поверхность антенны, она создает свои собственные области ближнего поля, но к ним применяются те же условия.^[4]

По сравнению с дальним полем

Ближнее поле замечательно для воспроизведения классических электромагнитная индукция и влияние электрического заряда на электромагнитное поле, которое вызывает "затухание" с увеличением расстояния от антенны: компонента магнитного поля, которая находится в квадратуре по фазе с электрическими полями, пропорциональна обратному кубу расстояния (¹⁄_р ³) и напряженности электрического поля, пропорциональной обратному квадрату расстояния (¹⁄_р ²). Этот спад происходит намного быстрее, чем классический излученный дальнее поле ( $E$ и $B$ поля, которые пропорциональны простому обратному расстоянию (¹⁄_р). Обычно эффекты ближнего поля не важны дальше, чем несколько длин волн антенны.

Более удаленные эффекты ближнего поля также включают эффекты передачи энергии, которые напрямую связаны с приемниками рядом с антенной, влияя на выходную мощность передатчика, если они связаны, но не иначе. В некотором смысле ближнее поле предлагает энергию, доступную приемнику. Только если энергия отводится, и это воспринимается передатчиком посредством реакции на электромагнитные ближние поля, исходящие от приемника. Опять же, это тот же принцип, который применяется в индукционная связь устройства, такие как трансформатор, который потребляет больше энергии в первичной цепи, если питание поступает из вторичной цепи. Это отличается от дальнего поля, которое постоянно потребляет одну и ту же энергию от передатчика, независимо от того, принимается она немедленно или нет.

Амплитуда других составляющих (неизлучающих / недипольных) электромагнитного поля вблизи антенны может быть довольно высокой, но из-за более быстрого спада с расстоянием, чем ¹⁄_р поведения, они не излучают энергию на бесконечные расстояния. Вместо этого их энергия остается захваченной в области около антенны, не потребляя энергию от передатчика, если только они не возбуждают приемник в области, близкой к антенне. Таким образом, ближние поля передают энергию только очень близким приемникам, и, когда они это делают, результат ощущается как дополнительное потребление энергии в передатчике. Как пример такого эффекта, мощность передается через пространство в общем трансформатор или же металлоискатель посредством явлений ближнего поля (в данном случае индуктивная связь ) в строго «ближнем» эффекте (т.е. в диапазоне в пределах одной длины волны сигнала).

Классическое ЭМ моделирование

А "диаграмма направленности "для антенны, по определению показывая только дальнее поле.

Решение Уравнения Максвелла для электрический и магнитные поля для локализованного источника колебаний, такого как антенна, окруженного однородным материалом (обычно вакуум или же воздуха ), дает поля, которые на большом расстоянии затухают пропорционально $1∕ р$ куда $р$ расстояние от источника. Эти излучающий полей и региона, где $р$ достаточно велико, чтобы эти поля преобладали, является дальнее поле.

В общем, поля источника в однородный изотропный средний можно записать как мультипольное расширение.^[5] Условия в этом расширении сферические гармоники (которые дают угловую зависимость), умноженные на сферические функции Бесселя (которые дают радиальную зависимость). Для больших $р$ , сферические функции Бесселя убывают как $1∕ р$ , давая излучаемое поле выше.По мере приближения к источнику (меньше $р$ ), приближаясь к ближнее поле, другие полномочия $р$ становятся значительными.

Следующий член, который становится значимым, пропорционален $1∕ р 2$ и иногда его называют срок индукции.^[6] Его можно рассматривать как в первую очередь магнитную энергию, запасенную в поле и возвращаемую в антенну в каждом полупериоде за счет самоиндукции. Для еще меньшего $р$ , члены пропорциональны $1∕ р 3$ стать значительным; это иногда называют термин электростатического поля и может рассматриваться как проистекающая из электрического заряда в элементе антенны.

Очень близко к источнику мультипольное расширение менее полезно (требуется слишком много терминов для точного описания полей). Скорее, в ближнем поле иногда полезно выразить вклады как сумму излучающих полей в сочетании с мимолетные поля, где последние экспоненциально убывают с $р$ . И в самом источнике, или как только кто-то входит в область неоднородных материалов, мультипольное разложение больше не действует, и обычно требуется полное решение уравнений Максвелла.

Антенны

Если осциллирующий электрический ток применяется к проводящей структуре какого-либо типа, электрические и магнитные поля появятся в пространстве вокруг этой структуры. Если эти поля теряются из-за распространяющейся космической волны, структуру часто называют антенной. Такая антенна может представлять собой сборку проводники в космосе, типичном для радио устройств или это может быть отверстие с данным распределением тока, излучающим в пространство, что типично для микроволновая печь или же оптические устройства. Фактические значения полей в пространстве вокруг антенны обычно довольно сложны и могут варьироваться в зависимости от расстояния от антенны по-разному.

Однако во многих практических приложениях интересуются только эффектами, когда расстояние от антенны до наблюдателя намного больше, чем наибольший размер передающей антенны. Уравнения, описывающие поля, создаваемые вокруг антенны, можно упростить, допустив большое расстояние и отбросив все члены, которые вносят лишь незначительный вклад в окончательное поле. Эти упрощенные распределения были названы «дальним полем» и обычно обладают тем свойством, что угловое распределение энергии не меняется с расстоянием, хотя уровни энергии по-прежнему меняются с расстоянием и временем. Такое угловое распределение энергии обычно называют диаграмма направленности антенны.

Отметим, что по принципу взаимность, диаграмма направленности, наблюдаемая при передаче конкретной антенны, идентична диаграмме направленности, измеренной, когда для приема используется та же антенна. Обычно можно найти простые соотношения, описывающие диаграммы направленности антенны в дальней зоне, часто включающие тригонометрические функции или в худшем случае Фурье или же Преобразование Ганкеля соотношения между распределениями тока антенны и наблюдаемыми диаграммами направленности в дальней зоне. Хотя упрощения дальнего поля очень полезны в инженерных расчетах, это не означает, что функции ближнего поля нельзя вычислить, особенно с использованием современных компьютерных технологий. Изучение того, как формируются ближние поля вокруг антенной конструкции, может дать хорошее представление о работе таких устройств.

Импеданс

Электромагнитное поле в дальней зоне антенны не зависит от деталей ближнего поля и природы антенны. Волновое сопротивление - это отношение напряженности электрического и магнитного полей, которые в дальней зоне находятся в фазе друг с другом. Таким образом, дальнее поле »импеданс свободного пространства "является резистивным и определяется по формуле:

{ Displaystyle Z_ {0} { overset { underset { mathrm {def}} {}} {=}} mu _ {0} c_ {0} = { sqrt { frac { mu _ {0}} { varepsilon _ {0}}}} = { frac {1} { varepsilon _ {0} c_ {0}}}.}

При обычном приближении для скорость света в свободном пространстве $c 0 \approx 3.00 \times 10 8 м / s$ , это дает часто используемое выражение:

{ displaystyle Z_ {0} = 119,92 , pi { text {Ω}} приблизительно 120 , pi { text {Ω}} приблизительно 377 { text {Ω}}}

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически малогабаритной катушечной антенны преимущественно магнитное. Для малых значений ^р⁄_λ импеданс магнитной петли низкий и индуктивный, на коротком расстоянии асимптотический:

{ displaystyle | Z_ {W} | около 240 pi ^ {2} { frac {r} { lambda}} около 2370 { frac {r} { lambda}}.}

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически короткостержневой антенны является преимущественно электрическим. Для малых значений ^р⁄_λ импеданс высокий и емкостной, на коротком расстоянии асимптотический:

{ displaystyle | Z_ {W} | приблизительно 60 { frac { lambda} {r}}.}

В обоих случаях волновое сопротивление сходится с волновым сопротивлением свободное место по мере приближения дальности к дальней зоне.

Смотрите также

Местные эффекты

Дифракция Френеля для получения дополнительной информации о ближнем поле
Фраунгофера дифракция больше о дальнем поле
Связь ближнего поля для получения дополнительной информации о технологиях связи ближнего поля
Связь с магнитной индукцией в ближнем поле
RFID часто работает в ближнем поле, но более новые типы меток передают радиоволны и, следовательно, работают в дальнем поле
Резонансная индуктивная связь для магнитных устройств
Беспроводная передача энергии для некоторых приложений передачи мощности
Индуктивный нагрев черных металлов
МРТ сканер: Аппарат, который передает пациенту электромагнитные сигналы высокой мощности с помощью магнитных эффектов ближнего поля на радиочастотах, но принимает сигналы радиоволн (ЭМИ) от пациента посредством радиочастотного излучения в дальней зоне, исходящего изнутри пациента.

Другой

Измерение антенны охватывает диапазоны дальнего поля (FF) и ближнего поля (NF), разделенные Расстояние Фраунгофера.
Наземные волны: Способ распространения.
Небесные волны: Также режим распространения.
Закон обратных квадратов
Самофокусирующиеся преобразователи, используя эффект акустических волн

Примечания

^ Спад амплитуды не следует путать с мощность падение; мощность падает пропорционально квадрату амплитуды.

Патенты

Джордж Ф. Лейдорф, Патент США 3278937 , Антенна система связи ближнего поля. 1966 г.
Гросси и др., Патент США 3445844 , Система связи с захваченным электромагнитным излучением. 1969 г.
Патент США 3461453 , Шумоподавление с двухрежимной антенной. 1969 г.
Коффин и др., Патент США 3,662,389 , Определение диаграмм направленности антенн в дальней зоне с помощью измерений зонда Френеля. 1972 г.
Hansen et al., Патент США 3879733 , Метод и устройство для определения диаграмм направленности антенн ближнего поля. 1975 г.
Wolff et al.,Патент США 5,459,405 , Способ и устройство для определения близости объекта с помощью эффектов ближнего поля.

[power_vs_amplitude-1] Спад амплитуды не следует путать с мощность падение; мощность падает пропорционально квадрату амплитуды.

[2] Баланис, Константин А. (2005). Теория антенн: анализ и конструкция (3-е изд.). Глава 2, стр. 34.

[3] Раппапорт, Теодор С. (2010). Принципы и практика беспроводной связи (19-е изд., 2-е изд.). Прентис-Холл. п. 108.

[4] Кино, Г., изд. (2000). Акустические волны: устройства, визуализация и обработка аналоговых сигналов. Прентис Холл. Глава 3, стр. 165.

[OSHA-EM-rad-5] а ^б ^c ^d ^е Управление по охране труда и здоровья, Технический центр Цинциннати (20 мая 1990 г.). "Электромагнитное излучение и его влияние на ваши инструменты. Ближнее поле против дальнего поля" (Министерство труда - контент, являющийся общественным достоянием. Большая часть контента, на который ссылается эта работа в этой статье, скопирована из документа, являющегося общественным достоянием. Кроме того, в этом документе Рекомендации.). Департамент труда США. Получено 2010-05-09.

[6] Джон Дэвид Джексон, Классическая электродинамика, 3-е издание (Wiley: New York, 1998)

[7] "Йоханссон, Дж. И Лундгрен, У., Электромагнитная совместимость телекоммуникационных линий". Архивировано из оригинал на 2006-04-23. Получено 2006-05-06.

[а]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]