Ближнее и дальнее поле

Области электромагнитного поля

Порядок областей дифракции Фраунгофера (внутреннее, реактивное ближнее поле ) и дифракции Френеля (внешнее, радиационное ближнее поле ) относительно дальнего поля .

Ближнее и дальнее поле — это области электромагнитного (ЭМ) поля вокруг объекта, например передающей антенны , или результат рассеяния излучения от объекта. Безызлучательное поведение в ближнем поле доминирует вблизи антенны или рассеивателя, тогда как поведение в дальнем поле электромагнитного излучения преобладает на больших расстояниях.

Напряженность поля излучения E (электрического) и B (магнитного) в дальнем поле уменьшается по мере увеличения расстояния от источника, что приводит к закону обратных квадратов для интенсивности мощности электромагнитного излучения в передаваемом сигнале. Напротив, силы ближнего поля E и B уменьшаются быстрее с расстоянием: радиационное поле уменьшается пропорционально квадрату расстояния , реактивное поле - по закону обратного куба , что приводит к уменьшению мощности в частях ближнего поля. электрическое поле в обратной четвертой и шестой степени соответственно. Быстрое падение мощности, содержащейся в ближнем поле, гарантирует, что эффекты, вызванные ближним полем, по существу исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны, и, наоборот, гарантируют, что на расстояниях, составляющих небольшую долю длины волны от антенны, эффекты ближнего поля подавляют излучающее дальнее поле.

Краткое описание регионов и их взаимодействия

Ближнее поле : на этом дипольном рисунке магнитное поле B показано красным. Потенциальная энергия, мгновенно запасенная в этом магнитном поле, указывает на реактивное ближнее поле.

Дальнее поле: диаграмма направленности может распространяться в дальнее поле, где реактивная запасенная энергия не имеет значительного присутствия.

В нормально работающей антенне положительные и отрицательные заряды не имеют возможности покинуть металлическую поверхность и отделены друг от друга напряжением «сигнала» возбуждения (передатчика или другого возбуждающего ЭМ потенциала). Это создает колеблющийся (или реверсивный) электрический диполь, который влияет как на ближнее, так и на дальнее поле.

Граница между областями ближнего и дальнего поля определена лишь смутно и зависит от доминирующей длины волны ( λ ), излучаемой источником, и размера излучающего элемента.

Рядом с полем

Ближнее поле относится к местам рядом с проводниками антенны или внутри любой поляризуемой среды, окружающей ее, где генерация и излучение электромагнитных волн могут подвергаться помехам, в то время как силовые линии остаются электрически прикрепленными к антенне, что приводит к поглощению излучения в ближнем поле. соседними проводящими объектами заметно влияет на нагрузку на генератор сигналов (передатчик). Электрическое и магнитное поля могут существовать независимо друг от друга в ближнем поле, причем один тип поля может быть непропорционально больше другого в разных подобластях.

Легко наблюдаемый пример эффекта ближнего поля — это изменение уровней шума, улавливаемого набором телевизионных антенн «кроличьи уши», когда часть человеческого тела приближается к «ушам». Аналогичным образом меняется качество звука FM-радио, настроенного на удаленную станцию, когда человек ходит по территории, находящейся на расстоянии вытянутой руки от его антенны.

Ближнее поле определяется полями мультипольного типа , которые можно рассматривать как совокупность диполей с фиксированным фазовым соотношением . Общее назначение обычных антенн — беспроводная связь на больших расстояниях, в дальних зонах, а для расчетов излучения и приема для многих простых антенн большинство сложных эффектов в ближнем поле можно удобно игнорировать.

Реактивное ближнее поле

Взаимодействие со средой (например, емкостью тела) может привести к отклонению энергии обратно к источнику, питающему антенну, как это происходит в реактивном ближнем поле. Эта зона находится примерно в пределах1/6длины волны ближайшей поверхности антенны.

Ближнее поле вызывает растущий интерес, особенно в разработке технологий емкостного зондирования , таких как те, которые используются в сенсорных экранах смартфонов и планшетных компьютеров. Хотя дальнее поле является обычной областью действия антенны, существуют определенные устройства, называемые антеннами, но специализирующиеся на связи в ближнем поле . Магнитную индукцию , наблюдаемую в трансформаторе, можно рассматривать как очень простой пример этого типа электромагнитного взаимодействия в ближнем поле. Например, передающие/приемные катушки для RFID и эмиссионные катушки для беспроводной зарядки и индукционного нагрева ; однако их техническая классификация как «антенны» вызывает споры.

Радиационное ближнее поле

Взаимодействие со средой может не вернуть энергию обратно источнику, но вызвать искажение электромагнитной волны, существенно отклоняющееся от наблюдаемого в свободном пространстве, и это указывает на радиационную ближнюю область поля, которая находится несколько дальше. В этой зоне с целью формирования луча можно разместить пассивные отражающие элементы, как, например, в случае с антенной Яги-Уда . Альтернативно, несколько активных элементов также могут быть объединены в антенную решетку, при этом форма лепестка становится фактором расстояния между элементами и фазировки возбуждения.

Переходная зона

Другая промежуточная область, называемая переходной зоной , определяется на несколько иной основе, а именно на геометрии антенны и длине волны возбуждения. Это примерно одна длина волны от антенны, и именно здесь электрическая и магнитная части излучаемых волн сначала уравновешиваются: электрическое поле линейной антенны приобретает соответствующее магнитное поле, а магнитное поле рамочной антенны приобретает свое электрическое поле. . Его можно считать самой дальней частью ближнего поля или ближайшей частью дальнего поля. Именно за этой точкой электромагнитная волна становится самораспространяющейся. Части электрического и магнитного поля волны пропорциональны друг другу в соотношении, определяемом характеристическим сопротивлением среды, через которую распространяется волна.

Дальнее поле

Напротив, дальнее поле — это область, в которой поле превратилось в «нормальное» электромагнитное излучение . В этой области преобладают поперечные электрические или магнитные поля с электрическими дипольными характеристиками. В дальней зоне антенны излучаемая мощность уменьшается пропорционально квадрату расстояния , и поглощение излучения не возвращается к передатчику.

В дальней зоне каждая из электрической и магнитной частей ЭМ поля «создается» (или связана с) изменением другой части, а отношение напряженностей электрического и магнитного поля представляет собой просто волновое сопротивление в дальней зоне. средний.

Дальнее поле, также известное как зона излучения , имеет относительно однородную волновую картину. Зона излучения важна, потому что амплитуда дальних полей обычно падает на Это означает, что полная энергия на единицу площади на расстоянии r пропорциональна площади сферы пропорциональна , поэтому полная энергия, проходящая через сферу, постоянна . Это означает, что энергия дальнего поля фактически уходит на бесконечное расстояние (она излучает ). ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r}}\ .}$ ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r^{2}}}\ .}$ ${\displaystyle r^{2}}$

Определения

Разделение электрического и магнитного полей на компоненты носит математический, а не чисто физический характер и основано на относительных скоростях, с которыми амплитуда различных членов уравнений электрического и магнитного поля уменьшается по мере увеличения расстояния от излучающего элемента. Амплитуды компонент дальнего поля падают как , радиационные амплитуды ближнего поля падают как , а реактивные амплитуды ближнего поля падают как . ^[a] Определения регионов представляют собой попытку охарактеризовать места, где активность соответствующих полевых компонентов наиболее сильна. Математически различие между компонентами поля очень четкое, но разграничение пространственных областей поля субъективно. Все компоненты поля повсюду перекрываются, так, например, в ближайшей к ближней реактивной области всегда имеются значительные компоненты дальнего поля и радиационные компоненты ближнего поля. ${\displaystyle 1/r}$ ${\displaystyle 1/r^{2}}$ ${\displaystyle 1/r^{3}}$

Определенные ниже регионы классифицируют поведение полей, которое варьируется даже внутри интересующей области. Таким образом, границы этих регионов представляют собой приблизительные эмпирические правила , поскольку между ними нет точных границ: все изменения поведения с расстоянием являются плавными изменениями. Даже если в некоторых случаях можно определить точные границы, основываясь главным образом на типе и размере антенны, эксперты могут расходиться в использовании номенклатуры для описания регионов. Из-за этих нюансов следует проявлять особую осторожность при интерпретации технической литературы, в которой обсуждаются области дальнего и ближнего поля.

Термин «область ближнего поля» (также известный как « ближняя зона» или «ближняя зона» ) имеет следующие значения в отношении различных телекоммуникационных технологий:

• Ближняя область антенны , где угловое распределение поля зависит от расстояния от антенны.
• При изучении дифракции и конструкции антенн ближнее поле - это та часть излучаемого поля, которая находится ниже расстояний, меньших, чем расстояние Фраунгофера , ^[1] которое определяется от источника дифрагирующей кромкой или антенной долготы или диаметра D . ${\displaystyle d_{\text{F}}={\frac {2D^{2}}{\lambda }}}$
• В оптоволоконной связи - область вблизи источника или апертуры , расположенная ближе, чем длина Рэлея . (Предполагая, что это гауссов пучок, который подходит для оптоволокна.)

Области по электромагнитной длине

Наиболее удобно определять размеры 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 чисел отсечки основан на относительных напряженностях амплитуд компонентов поля, обычно наблюдаемых в обычной практике.

Электромагнитно короткие антенны

Области поля для антенн, равные или короче половины длины волны излучаемого ими излучения, например, штыревая антенна гражданского радиоприемника или вышка радиовещания AM.

Для антенн короче половины длины волны излучаемого ими излучения (т. е. электромагнитно «коротких» антенн) дальняя и ближняя границы региона измеряются как простое отношение расстояния r от излучающего источника к длине волны λ радиация. Для такой антенны ближнее поле — это область в радиусе r ≪ λ , а дальнее поле — это область, для которой r ≫ 2 λ . Переходная зона — это область между r = λ и r = 2 λ  .

Длина антенны D не имеет значения, и приближение одинаково для всех более коротких антенн (иногда идеализируемых как так называемые точечные антенны ). Во всех таких антеннах короткая длина означает, что заряды и токи в каждой части антенны одинаковы в любой момент времени, поскольку антенна слишком коротка для того, чтобы напряжение радиочастотного передатчика могло измениться до того, как его влияние на заряды и токи прекратится. ощущается по всей длине антенны.

Электромагнитно длинные антенны

Для антенн, физически превышающих половину длины волны излучаемого ими излучения, ближнее и дальнее поля определяются через расстояние Фраунгофера . Следующая формула, названная в честь Йозефа фон Фраунгофера , дает расстояние Фраунгофера :

$${\displaystyle d_{\text{F}}\;=\;{\frac {2D^{2}}{\lambda }}\,,}$$

где D — наибольший размер излучателя (или диаметр антенны ), а λ — длина волны радиоволны . Любое из следующих двух соотношений эквивалентно, что подчеркивает размер области с точки зрения длины волны λ или диаметра 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 отражательной («тарелочной») антенны.

Наличие антенны, длина которой в электромагнитном отношении превышает половину преобладающей излучаемой длины волны, значительно расширяет эффекты ближнего поля, особенно у сфокусированных антенн. И наоборот, когда данная антенна излучает высокочастотное излучение, ее область ближнего поля будет больше, чем та, которая подразумевается при более низкой частоте (т. е. большей длине волны).

Кроме того, расстояние d _F в дальней зоне должно удовлетворять этим двум условиям. ^{[2] [ нужны разъяснения ]}

$${\displaystyle d_{\text{F}}\gg D\,}$$

$${\displaystyle d_{\text{F}}\gg \lambda \,}$$

где D — наибольший физический линейный размер антенны, а d _F — расстояние в дальней зоне. Расстояние в дальнем поле — 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 расстояние от одной до двух длин волн от антенны, ^{представляет} собой промежуточную область, в которой важны эффекты как ближнего, так и дальнего ^{поля .} В этой области поведение в ближнем поле вымирает и перестает быть важным, оставляя эффекты дальнего поля в качестве доминирующих взаимодействий. (См. изображение «Дальнее поле» выше.)

Области по дифракционному поведению

Области ближнего и дальнего поля для антенны большего размера (диаметр или длина D ), чем длина волны излучаемого ею излучения, так что D ⁄ λ ≫ 1 . Примерами являются радиолокационные тарелки, спутниковые тарелки, радиотелескопы и другие узконаправленные антенны.

Дифракция в дальнем поле

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

$${\displaystyle S={4\lambda \over D^{2}}r>1,{\text{ for }}r>r_{\text{F}}={D^{2} \over 4\lambda }.}$$

Для луча, сфокусированного на бесконечность, область дальнего поля иногда называют областью Фраунгофера . Другими синонимами являются дальнее поле , дальняя зона и поле излучения . Любое электромагнитное излучение состоит из составляющей электрического поля E и компоненты магнитного поля H. В дальнем поле соотношение между компонентом электрического поля E и магнитным компонентом H характерно для любой свободно распространяющейся волны, где E и H имеют равные величины в любой точке пространства (измеряется в единицах, где c = 1).

Дифракция в ближнем поле

В отличие от дальнего поля, картина дифракции в ближнем поле обычно существенно отличается от наблюдаемой на бесконечности и меняется с расстоянием от источника. В ближнем поле взаимосвязь между E и H становится очень сложной. Кроме того, в отличие от дальнего поля, где электромагнитные волны обычно характеризуются одним типом поляризации (горизонтальной, вертикальной, круговой или эллиптической), в ближнем поле могут присутствовать все четыре типа поляризации. ^[4]

Ближнее поле — это область, в которой возникают 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 по мощности с расстоянием гораздо быстрее, чем эффекты излучения в дальней зоне. Нераспространяющиеся (или затухающие) поля очень быстро затухают с расстоянием, поэтому их воздействие почти исключительно ощущается в ближней зоне.

Кроме того, в части ближнего поля, ближайшей к антенне (называемой реактивной ближней зоной , см. ниже), поглощение электромагнитной мощности в этой области вторым устройством имеет эффекты, которые возвращаются к передатчику, увеличивая нагрузку на передатчик. который питает антенну за счет уменьшения импеданса антенны, который «видит» передатчик. Таким образом, передатчик может определить, когда мощность поглощается в ближайшей зоне ближнего поля (второй антенной или каким-либо другим объектом), и вынужден подавать дополнительную мощность на свою антенну и получать дополнительную мощность от собственного источника питания. тогда как, если там не поглощается мощность, передатчику не нужно подавать дополнительную мощность.

Характеристики ближнего поля

Различия между дифракцией Фраунгофера и дифракцией Френеля .

Само ближнее поле далее делится на реактивное ближнее поле и радиационное ближнее поле. Обозначения реактивного и радиационного ближнего поля также зависят от длины волны (или расстояния). Однако эти граничные области составляют доли одной длины волны в ближнем поле. Внешняя граница реактивной области ближнего поля обычно считается расстоянием, в несколько раз превышающим длину волны (т. е. или приблизительно 0,159 λ ) от поверхности антенны. Реактивное ближнее поле также называют индуктивным ближним полем. Радиационное ближнее поле (также называемое областью Френеля ) покрывает остальную часть ближнего поля, от расстояния Фраунгофера. ^[4] ${\textstyle {\frac {1}{2\pi }}}$ ${\textstyle {\frac {\lambda }{2\pi }}}$ ${\textstyle {\frac {\lambda }{2\pi }}}$

Реактивное ближнее поле или ближайшая часть ближнего поля

В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) взаимосвязь между напряженностью полей E и H часто слишком сложна, чтобы ее можно было легко предсказать, и ее трудно измерить. Любой компонент поля ( E или H ) может доминировать в одной точке, а противоположное соотношение доминирует в точке, находящейся на небольшом расстоянии. Это делает определение истинной плотности мощности в этом регионе проблематичным. Это связано с тем, что для расчета мощности необходимо измерить не только E и H , но также необходимо знать фазовое соотношение между E и H , а также угол между двумя векторами в каждой точке пространства. ^[4]

В этой реактивной области не только электромагнитная волна излучается в дальний космос, но и существует реактивная составляющая электромагнитного поля, а это означает, что сила, направление и фаза электрического и магнитного полей вокруг антенны чувствительны к электромагнитным полям. поглощение и переизлучение в этой области и реагировать на него. Напротив, поглощение вдали от антенны оказывает незначительное влияние на поля вблизи антенны и не вызывает обратной реакции в передатчике.

Очень близко к антенне, в реактивной области, определенное количество энергии , если она не поглощается приемником, удерживается и сохраняется очень близко к поверхности антенны. Эта энергия переносится туда и обратно от антенны к реактивному ближнему полю посредством электромагнитного излучения того типа, который медленно изменяет электростатические и магнитостатические эффекты. Например, ток, текущий в антенне, создает чисто магнитную составляющую в ближнем поле, которая затем разрушается, когда ток антенны начинает меняться, вызывая передачу магнитной энергии поля обратно электронам в антенне, поскольку изменяющееся магнитное поле вызывает самовоздействие. -индуктивное воздействие на антенну, его создавшую. Это возвращает энергию в антенну регенеративным способом, так что она не теряется. 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 собственной емкости антенны . Когда сигнал меняется на противоположный и заряд снова может утечь из этой области, возникшее электрическое поле помогает оттолкнуть электроны обратно в новом направлении их потока, как при разряде любого униполярного конденсатора. Это снова передает энергию обратно в ток антенны.

Из-за этого эффекта накопления и возврата энергии, если какой-либо из индуктивных или электростатических эффектов в реактивном ближнем поле передает какую-либо энергию поля электронам в другом (ближайшем) проводнике, то эта энергия теряется в первичной антенне. Когда это происходит, в передатчике наблюдается дополнительный расход энергии в результате невозвращенной реактивной энергии ближнего поля. Этот эффект проявляется в изменении импеданса антенны, видимого передатчиком.

Реактивная составляющая ближнего поля может давать неоднозначные или неопределенные результаты при попытках измерений 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 при лишь небольшом уменьшении расстояния до антенны. Эта энергия может отрицательно повлиять как на людей, так и на измерительное оборудование из-за высокой мощности. ^[4]

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

Радиационное ближнее поле (иногда называемое областью Френеля ) не содержит компонентов реактивного поля исходной антенны, поскольку оно находится достаточно далеко от антенны, поэтому обратная связь полей становится противофазной с сигналом антенны и, следовательно, не может эффективно возвращать индуктивную или емкостную энергию от токов или зарядов антенны. Таким образом, вся энергия в радиационном ближнем поле представляет собой всю лучистую энергию , хотя ее смесь магнитных и электрических компонентов по-прежнему отличается от энергии в дальнем поле. Далее в радиационное ближнее поле (от половины длины волны до одной длины волны от источника) соотношение полей E и H становится более предсказуемым, но соотношение E и H все еще остается сложным. Однако, поскольку радиационное 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 получая, а затем «переизлучая» часть энергии в радиационном ближнем поле, образуя новую излучающую поверхность, которую следует учитывать. В зависимости от характеристик и частот антенны такое соединение может быть гораздо более эффективным, чем простой прием антенны в еще более удаленной дальней зоне, поскольку на вторичную «антенну» в этой области может быть передано гораздо больше мощности, чем в случае с более далекая 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 примечательно тем, что воспроизводит классические эффекты электромагнитной индукции и электрического заряда в электромагнитном поле, которое приводит к «затуханию» с увеличением расстояния от антенны: составляющая магнитного поля, находящаяся в квадратуре фазы электрических полей, пропорциональна обратной куб расстояния ( ) и напряженность электрического поля, пропорциональная обратному квадрату расстояния ( ). Это спад происходит гораздо быстрее, чем классическое излучаемое дальнее поле ( поля E и B , которые пропорциональны простому обратному расстоянию ( ). Обычно эффекты ближнего поля не важны на расстоянии, превышающем несколько длин волн антенны. . ${\displaystyle 1/r^{3}}$ ${\displaystyle 1/r^{2}}$ ${\displaystyle 1/r}$

Более отдаленные эффекты ближнего поля также включают в себя эффекты передачи энергии, которые связаны непосредственно с приемниками рядом с антенной, влияя на выходную мощность передатчика, если они действительно связаны, но не иначе. В некотором смысле ближнее поле предлагает энергию, которая доступна приемнику только в том случае, если энергия используется, и это ощущается передатчиком посредством реагирования на электромагнитные ближние поля, исходящие от приемника. Опять же, это тот же принцип, который применяется в устройствах с индукционной связью , таких как трансформатор , который потребляет больше мощности в первичной цепи, если мощность потребляется из вторичной цепи. Иначе обстоит дело с дальним полем, которое постоянно потребляет одну и ту же энергию от передатчика, независимо от того, принимается она немедленно или нет.

Амплитуда других компонентов (неизлучающих/недипольных) электромагнитного поля вблизи антенны может быть весьма мощной, но из-за более быстрого спада с расстоянием, чем поведение, они не излучают энергию на бесконечные расстояния. Вместо этого их энергия остается в ловушке в области рядом с антенной, не потребляя мощность от передатчика, если только они не возбуждают приемник в области рядом с антенной. Таким образом, ближние поля передают энергию только очень близким приемникам, и когда это происходит, результат ощущается как дополнительное потребление энергии в передатчике. В качестве примера такого эффекта можно привести передачу мощности в пространстве в обычном трансформаторе или металлоискателе посредством явлений ближнего поля (в данном случае индуктивной связи ), в строго короткодействующем эффекте (т. е. в диапазоне в пределах одной длины волны). сигнала). ${\displaystyle 1/r}$

Классическое ЭМ-моделирование

« Диаграмма направленности » антенны, по определению показывающая только дальнюю зону.

Решение уравнений Максвелла для электрических и магнитных полей для локализованного источника колебаний, такого как антенна, окруженного однородным материалом (обычно вакуумом или воздухом ), дает поля, которые на большом расстоянии затухают пропорционально где r — расстояние от источник. Это излучающие поля, а область, где r достаточно велико, чтобы эти поля доминировали, — это дальнее поле. ${\displaystyle 1/r}$

В общем случае поля источника в однородной изотропной среде можно записать в виде мультипольного разложения . ^[5] Членами этого разложения являются сферические гармоники (которые дают угловую зависимость), умноженные на сферические функции Бесселя (которые дают радиальную зависимость). При больших r сферические функции Бесселя затухают как , давая излучаемое поле, указанное выше. По мере приближения к источнику (меньшему r ), приближаясь к ближнему полю, другие степени r становятся значимыми. ${\displaystyle 1/r}$

Следующий член, который становится значимым, пропорционален и иногда называется индукционным членом . ^[6] Ее можно рассматривать как основную магнитную энергию, хранящуюся в поле и возвращаемую к антенне в каждом полупериоде посредством самоиндукции. При еще меньшем r члены, пропорциональные, становятся значимыми; его иногда называют термином электростатического поля , и его можно рассматривать как результат электрического заряда в антенном элементе. ${\displaystyle 1/r^{2}}$ ${\displaystyle 1/r^{3}}$

Очень близко к источнику мультипольное разложение менее полезно (для точного описания полей требуется слишком много членов). Скорее, в ближнем поле иногда полезно выразить вклады как сумму излучающих полей в сочетании с затухающими полями , где последние экспоненциально затухают с r . А в самом источнике или как только человек попадает в область неоднородных материалов, мультипольное разложение уже не действует и вообще требуется полное решение уравнений Максвелла.

Антенны

Если к проводящей структуре какого-либо типа приложить колеблющийся электрический ток, в пространстве вокруг этой структуры возникнут электрические и магнитные поля. Если эти поля теряются из-за распространяющейся космической волны, такую ​​конструкцию часто называют антенной. Такая антенна может представлять собой совокупность проводников в пространстве, типичную для радиоустройств , или апертуру с заданным распределением тока, излучающую в пространство, как это типично для микроволновых или оптических устройств . Реальные значения полей в пространстве вокруг антенны обычно довольно сложны и могут варьироваться в зависимости от расстояния от антенны различным образом.

Однако во многих практических приложениях интересуют только эффекты, при которых расстояние от антенны до наблюдателя намного превышает наибольший размер передающей антенны. Уравнения, описывающие поля, создаваемые вокруг антенны, можно упростить, предположив большое расстояние и исключив все члены, которые вносят лишь незначительный вклад в итоговое 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 диаграммой направленности антенны .

Обратите внимание, что в соответствии с принципом взаимности диаграмма направленности, наблюдаемая при передаче конкретной антенны, идентична диаграмме направленности, измеренной при использовании той же антенны для приема. Обычно обнаруживаются простые соотношения, описывающие диаграммы направленности антенны в дальней зоне, часто включающие тригонометрические функции или, в худшем случае, соотношения преобразования Фурье или Ханкеля между распределениями тока антенны и наблюдаемыми диаграммами направленности в дальней зоне. Хотя упрощения в дальнем поле очень полезны в инженерных расчетах, это не означает, что функции ближнего поля невозможно вычислить, особенно с использованием современных компьютерных методов. Исследование того, как формируются ближние поля вокруг антенной конструкции, может дать лучшее представление о работе таких устройств.

Импеданс

Электромагнитное поле в дальней зоне антенны не зависит от деталей ближнего поля и природы антенны. Волновое сопротивление — это соотношение напряженностей электрического и магнитного полей, которые в дальней зоне находятся в фазе друг с другом. Таким образом, « импеданс свободного пространства » в дальней зоне является резистивным и определяется выражением:

$${\displaystyle Z_{0}\mathrel {\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}} {\sqrt {{\frac {\mu _{0}}{\,\varepsilon _{0}\,}}\;}}=\mu _{0}c_{0}={\frac {1}{\,\varepsilon _{0}c_{0}\,}}~.}$$

В обычном приближении скорости света в свободном пространстве c ₀ ≈ 2,9979×10.⁸ м/с, это дает часто используемое выражение:

$${\displaystyle Z_{0}\approx \pi \,119.92\ {\mathsf {\Omega }}\approx \pi \,120\ {\mathsf {\Omega }}\approx 377\ {\mathsf {\Omega }}~}$$

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически малой катушечной антенны является преимущественно магнитным. Для небольших значенийр/ λ  Импеданс магнитной петли низкий и индуктивный, на коротких дистанциях асимптотически равен:

$${\displaystyle |Z_{\mathsf {W}}|\approx \pi ^{2}\,240\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {r}{\,\lambda \,}}\approx 2\,370\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {r}{\,\lambda \,}}~.}$$

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически короткостержневой антенны преимущественно электрическое. Для небольших значенийр/ λ  импеданс высокий и емкостный, на коротких дистанциях асимптотически равен:

$${\displaystyle |Z_{\mathsf {W}}|\approx 60\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {\,\lambda \,}{r}}~.}$$

В обоих случаях волновое сопротивление сходится с сопротивлением свободного пространства по мере приближения дальнего поля к дальнему полю.

Смотрите также

Местные эффекты

• Дифракция Фраунгофера : больше информации о дальнем поле
• Дифракция Френеля : больше информации о ближнем поле
• Индуктивный нагрев черных металлов
• Связь ближнего поля , чтобы узнать больше о технологии связи ближнего поля
• Связь по магнитной индукции ближнего поля
• Физика магнитно-резонансной томографии
• Резонансная индуктивная связь для применения в магнитных устройствах
• RFID часто работает в ближнем поле, но новые типы меток передают радиоволны и, таким образом, работают в дальнем поле.
• Субволновая визуализация
• Беспроводная передача энергии для некоторых приложений передачи энергии

Другой

• Измерения с помощью антенны охватывают диапазоны дальнего поля (FF) и ближнего поля (NF), разделенные расстоянием Фраунгофера .
• Земные волны : способ распространения
• Закон обратных квадратов
• Самофокусирующиеся преобразователи , использующие эффект акустических волн
• Небесные волны : способ распространения

Примечания

1. Падение амплитуды не следует путать с падением мощности ; мощность падает как квадрат амплитуды.

Рекомендации

Цитаты

1. Баланис, Константин А. (2005). Теория антенн: анализ и проектирование (3-е изд.). Глава 2, стр. 34.
2. Раппапорт, Теодор С. (2010). Принципы и практика беспроводной связи (19-е издание, 2-е изд.). Прентис-Холл. п. 108.
3. Кино, Г., изд. (2000). Акустические волны: устройства, визуализация и обработка аналоговых сигналов . Прентис Холл. Глава 3, стр. 165.
4. Управление по охране труда, Технический центр Цинциннати (20 мая 1990 г.). «Электромагнитное излучение и как оно влияет на ваши инструменты. Ближнее поле и дальнее поле». Министерство труда США . Проверено 9 мая 2010 г.Министерство труда – контент, являющийся общественным достоянием. Большая часть содержимого, на которое ссылаются в этой статье, скопирована из документа, являющегося общественным достоянием. Кроме того, в этом документе приведены ссылки.
5. Джон Дэвид Джексон, Классическая электродинамика , 3-е издание (Wiley: Нью-Йорк, 1998)
6. Йоханссон, Дж.; Лундгрен, У. «ЭМС телекоммуникационных линий».

Всеобщее достояние

 Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

 Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов правительства США . Управление по охране труда .

Патенты

• Джордж Ф. Лейдорф, патент США № 3 278 937 , Система связи антенн ближнего поля. 1966.
• Гросси и др., патент США № 3,445,844 , Система связи с захваченным электромагнитным излучением. 1969.
• Патент США 3 461 453 «Снижение шума с помощью двухрежимной антенны». 1969.
• Коффин и др., патент США № 3662389 , Определение диаграмм направленности антенны в дальней зоне с использованием измерений зонда Френеля. 1972.
• Хансен и др., патент США № 3879733 , «Метод и устройство для определения диаграмм направленности антенн ближнего поля». 1975 год
• Вольф и др., патент США № 5,459,405 , Способ и устройство для определения близости объекта с использованием эффектов ближнего поля.