Ближнее и дальнее поле

Различия между дифракцией Фраунгофера и дифракцией Френеля

Антенны
Часть серии по

Общие типы Диполь Фрактал Петля Монополь Спутниковая тарелка Телевидение Хлыст
Составные части Балун Блокировать повышающий преобразователь Коаксиальный кабель Противовес (наземная система) Подача Линия подачи Малошумящий блочный понижающий преобразователь Пассивный радиатор Приемник Ротатор Заглушка Передатчик Тюнер Твин-свинец
Системы Антенная ферма Любительское радио Сотовая сеть Точка доступа Муниципальная беспроводная сеть Радио Радиомачты и вышки Вай фай Беспроводной
Безопасность и регулирование Излучение мобильных телефонов и здоровье Беспроводные электронные устройства и здоровье Международный союз электросвязи ( Регламент радиосвязи ) Всемирная конференция радиосвязи
Источники излучения / регионы Осмотр Фокальное облако Плоскость земли Главный лепесток Ближнее и дальнее поле Боковой лепесток Вертикальная плоскость
Характеристики Усиление массива Направленность Эффективность Электрическая длина Эквивалентный радиус Фактор Уравнение передачи Фрииса Прирост Высота Диаграмма излучения Радиационная стойкость Распространение радио Радиоспектр Соотношение сигнал шум Побочное излучение
Методы Управление лучом Наклон луча Формирование луча Маленькая ячейка Многослойное пространство-время Bell Laboratories (BLAST) Массивный множественный вход и множественный выход (MIMO) Реконфигурация Расширенный спектр Широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов (WSDMA)
v т е

Ближнее поле и дальнее поле являются регионами электромагнитного поля (ЕСТ) вокруг объекта, например в качестве передающей антенны , или в результате рассеяния излучения от объекта. Неизлучательное поведение «ближнего поля» преобладает вблизи антенны или рассеивающего объекта, тогда как поведение «дальнего поля» электромагнитного излучения преобладает на больших расстояниях.

Дальнее поле Е (электрический) и В (магнитная) напряженности поля уменьшается по мере увеличения расстояния от источника увеличивается, что приводит к закону обратных квадратов для излучаемой мощности интенсивности электромагнитного излучения . Напротив, напряженность ближнего поля E и B уменьшается с увеличением расстояния быстрее: излучающее поле уменьшается на квадрат, обратный квадрату расстояния, реактивное поле - по закону обратного куба, 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 практически исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны.

Резюме регионов и их взаимодействия [ править ]

Ближнее поле: этот дипольный рисунок показывает магнитное поле красным цветом. Потенциальная энергия, мгновенно сохраненная в этом магнитном поле, указывает на реактивное ближнее поле.

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

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

Дальнее поле - это область, в которой поле действует как «нормальное» электромагнитное излучение . В этой области преобладают электрические или магнитные поля с электрическими дипольными характеристиками. Ближнее поле определяется полями мультипольного типа , которые можно рассматривать как совокупность диполей с фиксированным фазовым соотношением . Граница между двумя областями определена нечетко и зависит от доминирующей длины волны ( $λ$ ), излучаемой источником, и размера излучающего элемента.

В дальней зоне антенны излучаемая мощность уменьшается пропорционально квадрату расстояния , и поглощение излучения не возвращается на передатчик. Однако в ближней зоне поглощение излучения влияет на нагрузку передатчика. Магнитную индукцию в трансформаторе 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 полей является просто волновым сопротивлением . 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 положительные и отрицательные 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, предназначенные для связи в ближнем поле, действительно существуют).

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

Напротив, ближнее поле относится к таким областям, как около проводников и внутри поляризуемой среды, где распространение электромагнитных волн затруднено. Одним из простых примеров является изменение уровня шума, воспринимаемое набором кроличьих ушных антенн, когда кто-то помещает часть тела на близком расстоянии. Ближнее поле вызывает все больший интерес, особенно при разработке технологий емкостного зондирования, таких как те, которые используются в сенсорных экранах смартфонов и планшетных компьютеров.

Взаимодействие со средой (например, емкость тела) может вызвать отклонение энергии обратно к источнику, как это происходит в реактивном ближнем 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 радиационную ближнюю область поля, которая находится несколько дальше. Другая промежуточная область, называемая переходной зоной , определяется несколько иначе, а именно геометрией антенны и длиной волны возбуждения.

Определения [ править ]

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 , радиационные амплитуды ближнего поля убывают как , а реактивные амплитуды ближнего поля убывают как . ^{[a] В} определениях регионов делается попытка охарактеризовать места, где активность соответствующих компонентов поля наиболее высока. Математически различие между компонентами поля ${\ displaystyle 1 / r}$ ${\ displaystyle 1 / r ^ {2}}$ ${\ displaystyle 1 / r ^ {3}}$ очень ясно, но разграничение областей пространственного поля субъективно. Все поля перекрываются повсюду, поэтому, например, всегда есть существенные радиационные компоненты дальнего и ближнего поля в ближайшей реактивной области ближнего поля.

Определенные ниже регионы относятся к категории поведения полей, которое является изменчивым, даже в пределах интересующей области. Таким образом, границы этих областей являются приблизительными эмпирическими правилами , поскольку между ними нет точных границ: все поведенческие изменения с расстоянием - это плавные изменения. 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 применительно к различным телекоммуникационным технологиям:

Ближайшая область антенны, где угловое распределение поля зависит от расстояния от антенны.
При изучении дифракции и конструкции антенны ближнее поле - это та часть излучаемого поля, которая находится на расстоянии меньше, чем расстояние Фраунгофера , ^[1] которое определяется от источника дифрагирующей кромки или антенны с долготой или диаметром $D$ . ${\ displaystyle d _ {\ text {F}} = {\ frac {2D ^ {2}} {\ lambda}}}$
В оптоволоконной связи - область вблизи источника или апертуры, которая ближе, чем длина Рэлея . (Предполагается, что гауссов пучок подходит для волоконной оптики.)

Области по электромагнитной длине [ править ]

Наиболее удобной практикой является определение размера областей или зон в виде фиксированных чисел (долей) длин волн, удаленных от центра излучающей части антенны, с четким пониманием того, что выбранные значения являются только 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 [ править ]

Области поля для антенн, равные половине длины волны излучаемого ими излучения или короче, чем, например, штыревая антенна гражданского радио или мачта радиовещания AM.

Для антенн короче половины длины волны излучения они излучают (т.е. электромагнитной «короткая» антенна), дальние и ближние региональные границы измеряются с точкой зрения простого отношения расстояния $г$ от источника излучения к длине волны $Л$ из радиация. Для такой антенны, ближнее поле является область в пределах радиуса $г « Х$ , в то время как в дальнем поле представляет собой область , для которой $г » 2 Л$ . Переходная зона - это область между $r = λ$ и $r = 2 λ$ .

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 малая 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 [ править ]

Для антенн, которые физически больше половины длины волны излучаемого ими излучения, ближнее и дальнее поля определяются в терминах расстояния Фраунгофера . Следующая формула, названная в честь Йозефа фон Фраунгофера , дает расстояние Фраунгофера :

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

где $D$ представляет собой наибольший размер радиатора (или диаметр от антенны ) и $λ$ является длиной волны от радио волны . Любое из следующих двух соотношений эквивалентно, подчеркивая 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 "тарелочной" антенны.

Наличие антенны с электромагнитной длиной более половины основной излучаемой длины волны значительно увеличивает влияние ближнего поля, особенно сфокусированных антенн. 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 $d F$ в дальней зоне должно удовлетворять этим двум условиям. ^[2]^{[ требуется пояснение ]}

{\ 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 дальней зоне - это расстояние от передающей антенны до начала области Фраунгофера или дальнего поля.

Переходная зона [ править ]

«Переходная зона» между этими областями ближнего и дальнего поля, простирающаяся на расстояние от одной до двух длин волн от антенны, ^{[ цитата необходима ]} является промежуточной областью, в которой важны как эффекты 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 в соответствии с дифракционным поведением [ править ]

Кратко- и дальнего поля области для антенны большего (диаметр или длина

D

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

Дифракция в дальней зоне [ править ]

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

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

Для луча, сфокусированного на бесконечность, дальнюю область иногда называют «областью Фраунгофера». Другие синонимы - «дальнее поле», «дальняя зона» и «поле излучения». Любое электромагнитное излучение состоит из электрического поля компоненты $E$ и магнитное поле компоненты $Н$ . В дальней зоне соотношение между составляющей электрического поля $E$ и магнитной составляющей $H$ является характеристикой любой свободно распространяющейся волны, где $E$ и $H$ имеют равные величины в любой точке пространства (где измеряются в единицах, где c = 1).

Дифракция в ближнем поле [ править ]

В отличие от дальнего поля, дифракционная картина в ближнем поле обычно значительно отличается от наблюдаемой на бесконечности и изменяется с расстоянием от источника. В ближнем поле отношения между $E$ и $H$ становятся очень сложными. 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 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 исчезающие) 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», см. Ниже ), поглощение электромагнитной энергии в этой области вторым устройством имеет эффекты, которые возвращаются в передатчик, увеличивая нагрузку на передатчик, который питает антенну, уменьшая импеданс антенны, который "видит" передатчик. 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 [ править ]

Различия между дифракции Фраунгофера и дифракции 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 долю одной длины волны в ближнем поле. Внешняя граница реактивной области ближнего поля обычно считается удаленной от поверхности антенны, умноженной на длину волны, т. $Е.$ Или $0,159 \times$ $λ$ . Реактивное ближнее поле также называется «индуктивным» ближним полем. Излучательное ближнее поле (также называемое «областью Френеля») покрывает оставшуюся часть ближнего поля от внешнего до фраунгоферовского расстояния. ^[4] ${\tfrac {1}{2\pi }}$ ${\tfrac {\lambda }{2\pi }}$ ${\tfrac {\lambda }{2\pi }}$

Реактивное ближнее поле или ближайшая часть ближнего поля [ править ]

В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) взаимосвязь между интенсивностями полей $E$ и $H$ часто слишком сложна, чтобы ее можно было легко предсказать, и 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 проблематичным определение истинной плотности мощности в этой области. 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 должен быть известен в каждой точке пространства. ^[4]

В этой реактивной области не только излучается электромагнитная волна, излучаемая вовне в дальний космос, 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 она не поглощается приемником, сдерживается и накапливается очень близко к поверхности антенны. Эта энергия переносится назад и вперед от антенны в реактивное ближнее поле электромагнитным излучением того типа, который медленно изменяет электростатическое поле.и магнитостатические эффекты. Например, ток, протекающий в антенне, создает чисто магнитную составляющую в ближнем поле, которая затем схлопывается, когда антенный ток 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 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, так что заряд снова может вытекать из этой области, создаваемое электрическое поле помогает отталкивать электроны 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 какой-либо из индуктивных или электростатических эффектов 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 из-за невозвращаемой реактивной энергии ближнего поля. Этот эффект проявляется в другом импедансе антенны, видимом передатчиком.

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

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

Излучательное ближнее поле (иногда называемое областью Френеля ) не содержит компонентов реактивного поля от антенны-источника, поскольку оно находится на достаточно большом расстоянии от антенны, чтобы обратная связь полей становилась не в фазе с сигналом антенны и, следовательно, не могла 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. Дальше в радиационное ближнее поле (от половины длины волны до 1 длины волны от источника) соотношение полей $E$ и $H$ более предсказуемо, но соотношение полей $E$ и $H$ отношения по-прежнему сложные. Однако, поскольку излучающее 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, 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 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 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 [ править ]

Ближнее поле замечательно тем, что воспроизводит классические эффекты электромагнитной индукции и электрического заряда в электромагнитном поле, что приводит к «затуханию» с увеличением расстояния от антенны: составляющая магнитного поля, которая находится в квадратуре по фазе к электрическим полям, пропорциональна обратной величине. куб расстояния ( ¹ / _г_³ ) и напряженность электрического поля пропорциональна обратно пропорционально квадрату расстояния ( ¹ / _г_² ). Этот спад является гораздо более быстрым , чем классическое излучаемым дальним поле ( $E$ и $B$ поля, которые пропорциональны той простой обратной дистанции ( ¹⁄ _г ). 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 для приемника, 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 устройствах с индукционной связью , таких как трансформатор , который потребляет больше энергии в первичной цепи, если энергия 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 компонентов (безызлучательное / недипольных) электромагнитного поля вблизи антенны могут быть весьма мощными, но из - за более быстрого спадания с расстоянием , чем ¹ / _г 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 дополнительная потребляемая мощность в передатчике. В качестве примера такого эффекта, мощность передается через пространство в обычном трансформаторе или металлоискателе.посредством явления ближнего поля (в данном случае индуктивной связи ) в строго « ближнем » эффекте (т. е. в диапазоне в пределах одной длины волны сигнала).

Классическое ЭМ моделирование [ править ]

« Диаграмма направленности » антенны, по определению показывающая только дальнее поле.

Решение уравнений Максвелла для электрического и магнитного полей для локализованного источника колебаний, такого как антенна, окруженная однородным материалом (обычно вакуумом или воздухом ), дает поля, которые на большом расстоянии затухают пропорционально $1 ∕ r,$ где $r$ - $величина$ удаленность от источника. Это излучающие поля, а область, где $r$ достаточно велико, чтобы эти поля преобладали, - это дальнее поле .

В общем случае поля источника в однородной изотропной среде можно записать в виде мультипольного разложения . ^[5] Слагаемые в этом разложении представляют собой сферические гармоники (которые дают угловую зависимость), умноженные на сферические функции Бесселя (которые дают радиальную зависимость). При больших $r$ сферические функции Бесселя убывают как $1 ∕ r$ , давая излучаемое поле выше. По мере приближения к источнику (меньшее $r$ ), приближения к ближнему полю , другие степени $r$ становятся значительными.

Следующий член, который становится значимым, пропорционален $1 ∕ r 2$ и иногда называется индукционным членом . ^[6] Его можно рассматривать как в первую очередь магнитную энергию, запасенную в поле, и возвращаемую в антенну в каждом полупериоде посредством самоиндукции. При еще меньшем $r$ члены, пропорциональные $1 ∕ r 3,$ становятся значимыми; это иногда называют термином электростатического поля, и его можно рассматривать как результат электрического заряда в элементе антенны.

Очень близко к источнику мультипольное разложение 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 затухающими полями , где последние экспоненциально затухают с ростом $r$ . 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 [ править ]

Если осциллирующий электрический ток приложен 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 набор проводников в пространстве, типичных для радиоустройств, или это может быть апертура с заданным распределением тока, излучающая в пространство, что типично для микроволновых или оптических устройств . 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 диаграммой направленности антенны .

Обратите внимание, что по принципу взаимности диаграмма направленности, наблюдаемая, когда конкретная антенна передает, идентична диаграмме, измеренной, когда для приема используется та же самая антенна. Обычно можно найти простые соотношения, описывающие диаграммы направленности антенны в дальней зоне, часто включающие тригонометрические функции или, в худшем случае, зависимости преобразования Фурье или Ганкеля 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 не могут быть рассчитаны, особенно с использованием современных компьютерных технологий. Изучение того, как формируются ближние поля вокруг антенной конструкции, может дать хорошее представление о работе таких устройств.

Импеданс [ править ]

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, « импеданс свободного пространства » в дальней зоне является резистивным и определяется выражением:

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 скорости света в свободном пространстве $c 0 \approx 3,00 \cdot 10 8 м / с$ это дает часто используемое выражение:

Z_{0}=119.92\,\pi \ {\text{Ω}}\approx 120\,\pi \ {\text{Ω}}\approx 377\ {\text{Ω}}

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически малогабаритной катушечной антенны преимущественно магнитное. При малых значениях ^г / _λ импеданса магнитной петли является низким и индуктивным, в коротком диапазоне будучи асимптотическим:

|Z_{W}|\approx 240\pi ^{2}{\frac {r}{\lambda }}\approx 2370{\frac {r}{\lambda }}.

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически короткостержневой антенны преимущественно электрическое. При малых значениях ^г / _Х импеданс является высоким , и емкостной, в коротком диапазоне будучи асимптотической:

|Z_{W}|\approx 60{\frac {\lambda }{r}}.

В обоих случаях волновое сопротивление сходится с импедансом свободного пространства по мере приближения диапазона к дальнему полю.

См. Также [ править ]

Местные эффекты

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

Другой

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

Заметки [ править ]

^ Падение амплитуды не следует путать спадением мощности ; мощность падает пропорционально квадрату амплитуды.

Ссылки [ править ]

Цитаты

^ Баланис, Константин А. (2005). Теория антенн: анализ и дизайн (3-е изд.). Глава 2, стр. 34.
^ Раппапорт, Теодор С. (2010). Принципы и практика беспроводной связи (19-е издание, 2-е изд.). Прентис-Холл. п. 108.
^ Кино, Г., изд. (2000). Акустические волны: устройства, визуализация и обработка аналоговых сигналов . Прентис Холл. Глава 3, стр. 165.
^ a b c d e Управление по безопасности и гигиене труда, Технический центр Цинциннати (20 мая 1990 г.). «Электромагнитное излучение и как оно влияет 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, этот документ предоставил ссылки .) . Департамент труда США . Проверено 9 мая 2010 .
^ Джон Дэвид Джексон, Классическая электродинамика , 3-е издание (Wiley: New York, 1998)
^ "Йоханссон, Дж. И Лундгрен, У., EMC телекоммуникационных линий " . Архивировано из оригинала на 2006-04-23 . Проверено 6 мая 2006 .

Всеобщее достояние

Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документы правительства США . Управление охраны труда и здоровья .

Патенты [ править ]

Джордж Ф. Лейдорф, Патент США 3 278 937 , Антенна система связи ближнего поля. 1966 г.
Grossi et al., Патент США 3445844 , Система связи с захваченным электромагнитным излучением. 1969 г.
Патент США 3461453 , Снижение шума с помощью двухрежимной антенны. 1969 г.
Коффин и др., Патент США 3,662,389 , Определение диаграмм направленности антенн в дальней зоне с использованием измерений зонда Френеля. 1972 г.
Hansen et al., Патент США 3879733 , Способ 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 использованием эффектов ближнего поля.

[power_vs_amplitude-1] Падение амплитуды не следует путать спадением мощности ; мощность падает пропорционально квадрату амплитуды.

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

[3] Раппапорт, Теодор С. (2010). Принципы и практика беспроводной связи (19-е издание, 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] Управление по безопасности и гигиене труда, Технический центр Цинциннати (20 мая 1990 г.). «Электромагнитное излучение и как оно влияет 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, этот документ предоставил ссылки .) . Департамент труда США . Проверено 9 мая 2010 .

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

[7] "Йоханссон, Дж. И Лундгрен, У., EMC телекоммуникационных линий " . Архивировано из оригинала на 2006-04-23 . Проверено 6 мая 2006 .