Ближнее поле и дальнее поле — это области электромагнитного (ЭМ) поля вокруг объекта, например, передающей антенны , или результат рассеяния излучения от объекта. Неизлучающее поведение ближнего поля доминирует вблизи антенны или рассеивателя, в то время как электромагнитное излучающее поведение дальнего поля преобладает на больших расстояниях.
Силы поля излучения E (электрического) и B (магнитного) в дальнем поле уменьшаются с увеличением расстояния от источника, что приводит к закону обратных квадратов для интенсивности мощности электромагнитного излучения в передаваемом сигнале. Напротив, силы E и B в ближнем поле уменьшаются быстрее с расстоянием: излучающее поле уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния , реактивное поле — обратно пропорционально кубу , что приводит к уменьшению мощности в частях электрического поля в обратной четвертой и шестой степени соответственно. Быстрое падение мощности, содержащейся в ближнем поле, гарантирует, что эффекты, обусловленные ближним полем, по существу исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны, и наоборот, гарантирует, что на расстояниях, составляющих малую долю длины волны от антенны, эффекты ближнего поля подавляют излучающее дальнее поле.
В нормально работающей антенне положительные и отрицательные заряды не имеют возможности покинуть металлическую поверхность и отделены друг от друга напряжением «сигнала» возбуждения (передатчик или другой возбуждающий потенциал ЭМ). Это создает колеблющийся (или реверсивный) электрический диполь, который влияет как на ближнее поле, так и на дальнее поле.
Граница между ближней и дальней зонами определена лишь приблизительно и зависит от доминирующей длины волны ( λ ), излучаемой источником, и размера излучающего элемента.
Ближнее поле относится к местам вблизи проводников антенны или внутри любой поляризующейся среды, окружающей ее, где генерация и излучение электромагнитных волн могут быть нарушены, в то время как линии поля остаются электрически прикрепленными к антенне, поэтому поглощение излучения в ближнем поле соседними проводящими объектами заметно влияет на нагрузку на генератор сигнала (передатчик). Электрические и магнитные поля могут существовать независимо друг от друга в ближнем поле, и один тип поля может быть непропорционально больше другого в различных подобластях.
Ближнее поле регулируется полями многополюсного типа , которые можно рассматривать как наборы диполей с фиксированным фазовым соотношением . Общее назначение обычных антенн — беспроводная связь на больших расстояниях, в том числе в дальних полях, а для расчетов излучения и приема для многих простых антенн большинство сложных эффектов в ближнем поле можно легко проигнорировать.
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 пределах 1/6 длины волны ближайшей поверхности антенны.
Ближнее поле вызывает все больший интерес, особенно в разработке емкостных сенсорных технологий, таких как те, которые используются в сенсорных экранах смартфонов и планшетных компьютеров. Хотя дальнее поле является обычной областью функции антенны, существуют определенные устройства, которые называются антеннами , но специализированы для ближнепольной связи . Магнитную индукцию , наблюдаемую в трансформаторе, можно рассматривать как очень простой пример этого типа ближнепольного электромагнитного взаимодействия. Например, катушки отправки/приема для RFID и катушки эмиссии для беспроводной зарядки и индукционного нагрева ; однако их техническая классификация как «антенн» является спорной.
Взаимодействие со средой может не вернуть энергию обратно источнику, но вызвать искажение электромагнитной волны, которое значительно отклоняется от того, что обнаружено в свободном пространстве, и это указывает на область ближнего поля излучения , которая находится несколько дальше. Пассивные отражающие элементы могут быть размещены в этой зоне с целью формирования луча, как в случае с антенной Yagi–Uda . В качестве альтернативы, несколько активных элементов также могут быть объединены для формирования антенной решетки, при этом форма лепестка становится фактором расстояния между элементами и фазировки возбуждения.
Другая промежуточная область, называемая переходной зоной , определяется на несколько иной основе, а именно геометрией антенны и длиной волны возбуждения. Она находится примерно на расстоянии одной длины волны от антенны и является местом, где электрическая и магнитная части излучаемых волн впервые уравновешиваются: электрическое поле линейной антенны приобретает свое соответствующее магнитное поле, а магнитное поле рамочной антенны приобретает свое электрическое поле. Ее можно считать либо самой дальней частью ближнего поля, либо самой ближайшей частью дальнего поля. Именно за этой точкой электромагнитная волна становится самораспространяющейся. Электрические и магнитные части поля волны пропорциональны друг другу в соотношении, определяемом характеристическим сопротивлением среды, через которую распространяется волна.
Напротив, дальнее поле — это область, в которой поле установилось в «нормальном» электромагнитном излучении . В этой области доминируют поперечные электрические или магнитные поля с электрическими дипольными характеристиками. В дальней зоне антенны излучаемая мощность уменьшается как квадрат расстояния , а поглощение излучения не возвращается к передатчику.
В дальней зоне каждая из электрических и магнитных частей электромагнитного поля «создается» (или связана) с изменением другой части, а отношение интенсивностей электрического и магнитного полей представляет собой просто волновое сопротивление в среде.
Также известная как зона излучения , дальнее поле несет относительно однородную волновую картину. Зона излучения важна, поскольку дальние поля в целом спадают по амплитуде Это означает, что полная энергия на единицу площади на расстоянии r пропорциональна Площадь сферы пропорциональна , поэтому полная энергия, проходящая через сферу, постоянна. Это означает, что энергия дальнего поля фактически уходит на бесконечное расстояние (она излучается ).
Разделение электрических и магнитных полей на компоненты является математическим, а не чисто физическим, и основано на относительных скоростях, с которыми амплитуда различных членов уравнений электрического и магнитного поля уменьшается по мере увеличения расстояния от излучающего элемента. Амплитуды компонентов дальнего поля падают как , амплитуды радиационного ближнего поля падают как , а амплитуды реактивного ближнего поля падают как . [a] Определения областей пытаются охарактеризовать места, где активность связанных компонентов поля наиболее сильна. Математически различие между компонентами поля очень четкое, но разграничение пространственных областей поля субъективно. Все компоненты поля перекрываются повсюду, так что, например, всегда есть существенные компоненты дальнего поля и радиационного ближнего поля в ближайшей ближней реактивной области поля.
Определенные ниже области классифицируют поведение поля, которое является изменчивым, даже в пределах интересующей области. Таким образом, границы для этих областей являются приблизительными эмпирическими правилами , поскольку между ними нет точных границ: все изменения поведения с расстоянием являются плавными изменениями. Даже когда в некоторых случаях можно определить точные границы, основываясь в первую очередь на типе и размере антенны, эксперты могут различаться в использовании номенклатуры для описания областей. Из-за этих нюансов необходимо проявлять особую осторожность при интерпретации технической литературы, в которой обсуждаются области дальнего и ближнего поля.
Термин «ближняя зона» (также известная как ближнее поле или ближняя зона ) имеет следующие значения по отношению к различным телекоммуникационным технологиям:
Наиболее удобной практикой является определение размера областей или зон в терминах фиксированных чисел (долей) длин волн, удаленных от центра излучающей части антенны, с четким пониманием того, что выбранные значения являются лишь приблизительными и будут несколько неподходящими для различных антенн в различных условиях. Выбор чисел отсечки основан на относительных мощностях амплитуд компонент поля, обычно наблюдаемых в обычной практике.
Для антенн, длина которых короче половины длины волны излучения, которое они излучают (т. е. электромагнитно «короткие» антенны), дальняя и ближняя границы областей измеряются в терминах простого отношения расстояния r от источника излучения к длине волны λ излучения. Для такой антенны ближнее поле — это область в радиусе r ≪ λ , тогда как дальнее поле — это область, для которой r ≫ 2 λ . Переходная зона — это область между r = λ и r = 2 λ .
Длина антенны, D , не важна, 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 подсекции антенны одинаковы в любой момент времени, поскольку антенна слишком коротка для того, чтобы напряжение радиопередатчика успело изменить полярность до того, как его воздействие на заряды и токи проявится по всей длине антенны.
Для антенн, физически больших, чем половина длины волны излучения, которое они испускают, ближнее и дальнее поля определяются в терминах расстояния Фраунгофера . Названная в честь Йозефа фон Фраунгофера , следующая формула дает расстояние Фраунгофера :
где D — наибольший размер излучателя (или диаметр антенны ), а λ — длина волны радиоволны . Любое из следующих двух соотношений эквивалентно, подчеркивая размер области в терминах длин волн λ или диаметров D :
Это расстояние обеспечивает границу между ближним и дальним полем. Параметр D соответствует физической длине антенны или диаметру рефлекторной («тарелочной») антенны.
Наличие антенны, электромагнитно длиннее половины доминирующей длины волны, излучаемой, значительно расширяет эффекты ближнего поля, особенно у сфокусированных антенн. И наоборот, когда данная антенна излучает высокочастотное излучение, она будет иметь область ближнего поля больше, чем та, которая подразумевалась бы при более низкой частоте (т.е. большей длине волны).
Кроме того, расстояние в дальней зоне d F должно удовлетворять этим двум условиям. [2] [ необходимо разъяснение ]
где D — наибольший физический линейный размер антенны, а d F — расстояние дальнего поля. Расстояние дальнего поля — это расстояние от передающей антенны до начала области Фраунгофера, или дальнего поля.
Переходная зона между этими ближними и дальними полями, простирающаяся на расстояние от одной до двух длин волн от антенны, [ требуется ссылка ] является промежуточной областью, в которой важны как эффекты ближнего, так и дальнего поля. В этой области поведение ближнего поля затухает и перестает быть важным, оставляя эффекты дальнего поля в качестве доминирующих взаимодействий. (См. изображение «Дальнее поле» выше.)
Что касается источников акустических волн, то если источник имеет максимальный общий размер или ширину апертуры ( D ), большую по сравнению с длиной волны λ , то обычно считается, что дальняя зона существует на расстояниях, когда параметр Френеля больше 1: [3]
Для пучка, сфокусированного на бесконечности, область дальнего поля иногда называют областью Фраунгофера . Другие синонимы — дальнее поле , дальняя зона и поле излучения . Любое электромагнитное излучение состоит из компонента электрического поля E и компонента магнитного поля H. В дальнем поле соотношение между компонентом электрического поля E и компонентом магнитного поля H является характеристикой любой свободно распространяющейся волны, где E и H имеют равные величины в любой точке пространства (где измеряются в единицах, где c = 1).
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 соотношение между E и H становится очень сложным. 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 существуют 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 гораздо быстрее с расстоянием, чем эффекты излучения в дальней зоне. Нераспространяющиеся (или затухающие) поля очень быстро затухают с расстоянием, что делает их эффекты почти исключительно ощущаемыми в ближней зоне.
Кроме того, в части ближнего поля, ближайшей к антенне (называемой реактивным ближним полем , см. ниже), поглощение электромагнитной энергии в этой области вторым устройством имеет эффекты, которые возвращаются обратно к передатчику, увеличивая нагрузку на передатчик, который питает антенну, за счет уменьшения сопротивления антенны, которое «видит» передатчик. Таким образом, передатчик может ощущать, 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 своего собственного источника питания, тогда как если там мощность не поглощается, передатчику не нужно подавать дополнительную мощность.
Само ближнее поле далее делится на реактивное ближнее поле и радиационное ближнее поле. Обозначения реактивного и радиационного ближнего поля также являются функцией длины волны (или расстояния). Однако эти граничные области являются частью одной длины волны в пределах ближнего поля. Внешняя граница реактивной ближней области обычно считается расстоянием, равным длине волны (т. е. или приблизительно 0,159λ ) от поверхности антенны. Реактивное ближнее поле также называется индуктивным ближним полем. Радиационное ближнее поле (также называемое областью Френеля ) охватывает оставшуюся часть ближней области, от до расстояния Фраунгофера. [4]
В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) соотношение между напряженностями полей E и H часто слишком сложно для легкого прогнозирования и трудно для измерения. Любой компонент поля ( E или H ) может доминировать в одной точке, а противоположное соотношение доминировать в точке, находящейся всего в нескольких метрах. Это делает нахождение истинной плотности мощности в этой области проблематичным. Это связано с тем, что для расчета мощности необходимо измерять не только E и H, но и 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, что означает, что сила, направление и фаза электрических и магнитных полей вокруг антенны чувствительны к поглощению и переизлучению ЭМ в этой области и реагируют 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, энергия определенного количества, если не поглощается приемником, удерживается и хранится очень близко к поверхности антенны. Эта энергия переносится вперед и назад от антенны к реактивному ближнему полю электромагнитным излучением того типа, который медленно изменяет электростатические и магнитостатические эффекты. Например, ток, текущий в антенне, создает чисто магнитный компонент в ближнем поле, который затем разрушается, когда ток антенны начинает менять направление, вызывая передачу магнитной энергии поля обратно электронам в антенне, поскольку изменяющееся магнитное поле вызывает самоиндуктивный эффект на антенне, которая его сгенерировала. Это возвращает энергию в антенну регенеративным способом, так что она не теряется. Похожий процесс происходит, когда электрический заряд накапливается в одной секции антенны под давлением напряжения сигнала и вызывает локальное электрическое поле вокруг этой секции антенны из-за собственной емкости антенны . Когда сигнал меняет направление так, что заряд снова может вытекать из этой области, созданное электрическое поле помогает отталкивать электроны обратно в новом направлении их потока, как при разряде любого униполярного конденсатора. Это снова возвращает энергию току антенны.
Из-за этого эффекта накопления и возврата энергии, если индуктивный или электростатический эффекты в реактивном ближнем поле передают энергию поля электронам в другом (близлежащем) проводнике, то эта энергия теряется в первичной антенне. Когда это происходит, на передатчике наблюдается дополнительный сток, возникающий из-за реактивной энергии ближнего поля, которая не возвращается. Этот эффект проявляется как другой импеданс в антенне, видимый передатчиком.
Реактивная составляющая ближнего поля может давать неоднозначные или неопределенные результаты при попытках измерений в этой области. В других областях плотность мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны. Однако в непосредственной близости от антенны уровень энергии может резко возрасти при небольшом уменьшении расстояния до антенны. Эта энергия может неблагоприятно влиять как на людей, так и на измерительное оборудование из-за высокой задействованной мощности. [4]
Радиационное ближнее поле (иногда называемое областью Френеля ) не содержит реактивных компонентов поля от антенны источника, поскольку оно достаточно далеко от антенны, так что обратная связь полей становится не в фазе с сигналом антенны, и, таким образом, не может эффективно возвращать индуктивную или емкостную энергию от токов или зарядов антенны. Таким образом, вся энергия в радиационном ближнем поле является лучистой энергией , хотя ее смесь магнитных и электрических компонентов все еще отличается от дальнего поля. Дальше в радиационном ближнем поле (от половины длины волны до 1 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 все еще является частью ближнего поля, существует вероятность непредвиденных (или неблагоприятных) условий.
Например, металлические объекты, такие как стальные балки, могут действовать как антенны, индуктивно принимая и затем «переизлучая» часть энергии в ближнем поле излучения, образуя новую излучающую поверхность для рассмотрения. В зависимости от характеристик антенны и частот, такая связь может быть намного 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 удаленной антенной. Когда вторичная излучающая поверхность антенны таким образом активируется, она затем создает свои собственные области ближнего поля, но к ним применяются те же самые условия. [4]
Ближнее поле примечательно тем, что воспроизводит классические эффекты электромагнитной индукции и электрического заряда в ЭМ поле, что приводит к «затуханию» с увеличением расстояния от антенны: компонент магнитного поля, который находится в фазовой квадратуре к электрическим полям, пропорционален обратному кубу расстояния ( ), а напряженность электрического поля пропорциональна обратному квадрату расстояния ( ). Это падение происходит гораздо быстрее, чем классическое излучаемое дальнее поле ( поля E и B , которые пропорциональны простому обратному расстоянию ( ). Обычно эффекты ближнего поля не важны дальше, чем несколько длин волн антенны.
Более удаленные эффекты ближнего поля также включают эффекты передачи энергии, которые напрямую связываются с приемниками вблизи антенны, влияя на выходную мощность передатчика, если они связываются, но не в противном случае. В некотором смысле, ближнее поле предлагает энергию, которая доступна приемнику, только если энергия отводится, и это ощущается передатчиком посредством реагирования на электромагнитные ближние поля, исходящие от приемника. Опять же, это тот же принцип, который применяется в индукционно-связанных устройствах, таких как трансформатор , который потребляет больше энергии в первичной цепи, если мощность потребляется из вторичной цепи. Это отличается от дальнего поля, которое постоянно потребляет одну и ту же энергию от передатчика, независимо от того, получена она немедленно или нет.
Амплитуда других компонентов (нерадиоактивных/недипольных) электромагнитного поля вблизи антенны может быть довольно мощной, но из-за более быстрого спада с расстоянием, чем поведение, они не излучают энергию на бесконечные расстояния. Вместо этого их энергии остаются запертыми в области вблизи антенны, не получая мощность от передатчика, если только они не возбуждают приемник в области вблизи антенны. Таким образом, ближние поля передают энергию только очень близким приемникам, и, когда они это делают, результат ощущается как дополнительное потребление мощности в передатчике. В качестве примера такого эффекта, мощность передается через пространство в обычном трансформаторе или металлоискателе посредством явлений ближнего поля (в данном случае индуктивной связи ), в строго ближнем эффекте (т. е. в диапазоне в пределах одной длины волны сигнала).
Решение уравнений Максвелла для электрических и магнитных полей для локализованного колеблющегося источника, такого как антенна, окруженная однородным материалом (обычно вакуумом или воздухом ), дает поля, которые вдали затухают пропорционально, где r — расстояние от источника. Это излучающие поля, а область, где r достаточно велико для того, чтобы эти поля доминировали, — это дальнее поле.
В общем случае поля источника в однородной изотропной среде можно записать в виде мультипольного разложения . [5] Члены этого разложения — 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 выше. По мере приближения к источнику (меньше r ), приближаясь к ближнему полю, другие степени r становятся значительными.
Следующий член, который становится значимым, пропорционален и иногда называется членом индукции . [6] Его можно рассматривать как в первую очередь магнитную энергию, запасенную в поле и возвращаемую в антенну в каждом полупериоде посредством самоиндукции. Для еще меньших r члены, пропорциональные , становятся значимыми; это иногда называется членом электростатического поля и может рассматриваться как вытекающее из электрического заряда в элементе антенны.
Очень близко к источнику мультипольное разложение менее полезно (для точного описания полей требуется слишком много членов). Вместо этого в ближнем поле иногда полезно выражать вклады как сумму излучающих полей в сочетании с затухающими полями , где последние экспоненциально затухают с r . А в самом источнике или как только попадаешь в область неоднородных материалов, мультипольное разложение больше не действует, и обычно требуется полное решение уравнений Максвелла.
Если колеблющийся электрический ток подается на проводящую структуру некоторого типа, в пространстве вокруг этой структуры появятся электрические и магнитные поля. Если эти поля теряются в распространяющейся космической волне, то такую структуру часто называют антенной. Такая антенна может быть совокупностью проводников в пространстве, типичной для радиоустройств , или это может быть апертура с заданным распределением тока, излучающая в пространство, как это типично для микроволновых или оптических устройств . Фактические значения полей в пространстве вокруг антенны обычно довольно сложны и могут меняться с расстоянием от антенны различными способами.
Однако во многих практических приложениях интерес представляют только эффекты, где расстояние от антенны до наблюдателя намного больше, чем наибольший размер передающей антенны. Уравнения, описывающие поля, созданные вокруг антенны, можно упростить, предположив большое разделение и отбросив все члены, которые обеспечивают лишь незначительный вклад в конечное поле. Эти упрощенные распределения были названы «дальним полем» и обычно обладают тем свойством, что угловое распределение энергии не меняется с расстоянием, хотя уровни энергии все еще меняются с расстоянием и временем. Такое угловое распределение энергии обычно называют диаграммой направленности антенны .
Обратите внимание, что по принципу взаимности наблюдаемая картина, когда конкретная антенна передает, идентична картине, измеренной, когда та же антенна используется для приема. Обычно можно найти простые соотношения, описывающие картины дальнего поля антенны, часто включающие тригонометрические функции или, в худшем случае, соотношения преобразования Фурье или Ханкеля между распределениями тока антенны и наблюдаемыми картинами дальнего поля. Хотя упрощения дальнего поля очень полезны в инженерных расчетах, это не означает, что функции ближнего поля не могут быть рассчитаны, особенно с использованием современных компьютерных технологий. Изучение того, как формируются ближние поля вокруг структуры антенны, может дать большое представление о работе таких устройств.
Электромагнитное поле в дальней зоне антенны не зависит от деталей ближнего поля и природы антенны. Волновое сопротивление представляет собой отношение напряженности электрического и магнитного полей, которые в дальней зоне находятся в фазе друг с другом. Таким образом, дальнее поле " сопротивление свободного пространства " является резистивным и определяется по формуле:
При обычном приближении для скорости света в свободном пространстве c 0 ≈ 2,9979 × 108 м/с, это дает часто используемое выражение:
Электромагнитное поле в ближней зоне электрически малой катушковой антенны является преимущественно магнитным. Для малых значений г/ λ сопротивление магнитной петли низкое и индуктивное, на малых расстояниях асимптотическое:
Электромагнитное поле в ближней зоне электрически короткой стержневой антенны является преимущественно электрическим. Для малых значений г/ λ импеданс высокий и емкостный, на коротком расстоянии асимптотический к:
В обоих случаях волновое сопротивление приближается к сопротивлению свободного пространства по мере приближения диапазона к дальнему полю.
Локальные эффекты
Другой
В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).
В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Правительства США . Управление по охране труда и технике безопасности .
