Ближнее и дальнее поле

редактировать
Различия между дифракцией Фраунгофера и дифракцией Френеля

ближним полем и дальнее поле - это области электромагнитного поля (EM) вокруг объекта, такого как передающая антенна, или результат рассеяния излучения объект. Неизлучательное поведение «ближнего поля» преобладает вблизи антенны или рассеивающего объекта, в то время как электромагнитное излучение поведение «дальнего поля» преобладает на больших расстояниях.

Напряженность поля E (электрическое) и B (магнитное) в дальнем поле уменьшается по мере увеличения расстояния от источника, что приводит к закону обратных квадратов для излучаемой мощности электромагнитное излучение. Напротив, напряженность ближнего поля E и B уменьшается быстрее с расстоянием: излучающее поле уменьшается на квадрат, обратный квадрату расстояния, реактивное поле - на закон 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 по существу исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны.

Содержание

  • 1 Обзор регионов и их взаимодействия
  • 2 Определения
    • 2.1 Области в соответствии с электромагнитной длиной
      • 2.1.1 Электромагнитно короткие антенны
      • 2.1.2 Электромагнитно длинные антенны
      • 2.1.3 Переходная зона
    • 2.2 Области в соответствии с дифракционными свойствами
      • 2.2.1 Дифракция в дальней зоне
      • 2.2.2 Дифракция в ближней зоне
  • 3 Характеристики ближнего поля
    • 3.1 Реактивное поле в ближней зоне или ближайшая часть ближнего поля
    • 3.2 Излучательное ближнее поле (область Френеля) или самая дальняя часть ближнего поля
    • 3.3 По сравнению с дальним полем
  • 4 Классическое моделирование ЭМ
    • 4.1 Антенны
    • 4.2 Импеданс
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Патенты

Сводка областей и их взаимодействий

Ближнее поле: Эта дипольная диаграмма показывает магнитное поле B → {\ displaystyle {\ overrightarrow {\ mathbf {B}}}}{\ overrightarrow {\ mathbf {B}}} красным. Потенциальная энергия, мгновенно сохраненная 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.

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 регулируется 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 как квадрат расстояния, и поглощение излучения не возвращается в передатчик. Однако в ближней зоне поглощение излучения влияет на нагрузку передатчика. Магнитная индукция, наблюдаемая в трансформаторе, может рассматриваться 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 также соотношением напряженности электрического и магнитного полей. это просто волновое сопротивление. Однако в ближней зоне электрическое и магнитное поля могут существовать независимо друг от друга, и один тип поля может доминировать над другим.

В нормально работающей антенне положительный и отрицательный заряды не могут уйти и отделены друг от друга «сигналом» возбуждения (передатчик или другой возбуждающий потенциал ЭМ). Это генерирует колеблющийся (или реверсивный) электрический диполь, который влияет как на ближнее, так и на дальнее поле. В общем, 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).

Также известное как поле зоны излучения, дальнее поле несет относительно однородную волновую структуру. Зона излучения важна, потому что дальние поля обычно падают по амплитуде на 1 r. Это означает, что полная энергия на единицу площади на расстоянии r пропорциональна 1 ∕ r. Площадь сферы пропорциональна r, поэтому полная энергия, проходящая через сферу, постоянна. Это означает, что энергия дальнего поля фактически ускользает 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 уровней шума, воспринимаемое набором антенн заячьих ушей, когда часть тела помещается на близком расстоянии. Ближнее поле вызывает все больший интерес, особенно при разработке технологий емкостного считывания, 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

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 с увеличением расстояния от излучающего элемента увеличивается. Амплитуды компонент дальнего поля уменьшаются как 1 / r {\ displaystyle 1 / r}1/r, радиационные амплитуды ближнего поля уменьшаются как 1 / r 2 {\ displaystyle 1 / r ^ {2}}1 / r ^ {2} , а реактивные амплитуды ближнего поля уменьшаются как 1 / r 3 {\ displaystyle 1 / r ^ {3}}1 / r ^ {3} . В определениях регионов делается попытка охарактеризовать места, где активность соответствующих компонентов поля наиболее высока. Математически различие между компонентами поля очень четкое, но разграничение пространственных областей поля субъективно. Все поля перекрываются повсюду, поэтому, например, всегда есть существенные радиационные компоненты в дальней и ближней зоне в ближайшей реактивной области ближнего поля.

Определенные ниже области распределяют поведение поля, которое является переменным, даже в пределах интересующей области. Таким образом, границы для этих областей являются приблизительными эмпирическими правилами, поскольку между ними нет точных границ: все поведенческие изменения с расстоянием являются плавными изменениями. 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 «ближнее поле» или «ближняя зона») имеет следующие значения в отношении различных телекоммуникационных технологий:

  • ближняя область антенны, где угловое распределение поля зависит от расстояния от антенны.
  • При исследовании дифракции и конструкции антенны ближнее field - это та часть излучаемого поля, которая находится ниже расстояний, меньших, чем расстояние Фраунгофера, которое определяется как d F = 2 D 2 λ {\ displaystyle d _ {\ text {F}} = {\ frac {2D ^ {2}} {\ lambda}}}{\ displaystyle d _ {\ text {F}} = {\ frac {2D ^ {2}} {\ lambda}}} от источника дифрагирующей кромки или антенны долготы или диаметра D.
  • In оптическое волокно связь, область около источника или апертуры, которая ближе, чем длина Рэлея. (Предполагается, что гауссов пучок подходит для волоконной оптики.)

Области в соответствии с электромагнитной длиной

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

Антенны с коротким электромагнитным излучением

Antenna field regions for antennas that are equal to, or shorter than, one-half wavelength of the radiation they emit, such as the whip antenna of a citizen's band radio, or the antenna in an AM radio broadcast tower. Области поля для антенн, равной половине длины волны излучаемого ими излучения или короче, чем половина длины волны излучаемого ими излучения, например штыревой антенны гражданского радио или вышки радиовещания AM.

Для антенн короче половины длины волны излучения, которое они излучают (т. Е. Электромагнитно «короткие» антенны), дальние и ближние региональные границы измеряются с помощью простого отношения расстояния r от источник излучения на длину волны λ излучения. Для такой антенны ближнее поле - это область в пределах радиуса r ≪ λ, а дальнее поле - это область, для которой r ≫ 2 λ. 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 короткая длина означает, что заряды и токи в каждой подсекции антенны в любой момент времени одинаковы, поскольку антенна слишком коротка, чтобы напряжение РЧ-передатчика изменилось на противоположное, прежде чем его влияние на заряды и токи не изменится. на ощупь по всей длине антенны.

Электромагнитно длинные антенны

Для антенн, физически превышающих половину длины волны излучаемого ими излучения, ближнее и дальнее поля определяются в терминах расстояния Фраунгофера. Названная в честь Джозефа фон Фраунгофера, следующая формула дает расстояние Фраунгофера :

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

где D - наибольший размер излучателя (или диаметр антенны ) и λ - длина волны радио волны. Любое из следующих двух соотношений эквивалентно, подчеркивая размер области с точки зрения длины волны λ или диаметра D:

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

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

Наличие антенны с электромагнитной длиной, превышающей половину основной излучаемой длины волны, значительно увеличивает влияние ближнего поля, особенно эффект 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 в дальней зоне d F должно удовлетворять этим двум условиям.

d F ≫ D {\ displaystyle d _ {\ text {F}} \ gg D \,}{\ displaystyle d _ {\ text {F}} \ gg D \,}
d F ≫ λ {\ displaystyle d _ {\ text {F}} \ gg \ lambda \,}{\ 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

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

Области в соответствии с дифракционными характеристиками

Области ближнего и дальнего поля для антенны большего диаметра или длины D, чем длина волны излучаемого ею излучения, так что D⁄λ 1. Примерами являются радиолокационные антенны и другие направленные антенны. Области ближнего и дальнего поля для антенны больше (диаметр или длина D), чем длина волны испускаемого ею излучения, так что ⁄ λ ≫ 1. Примерами являются радиолокационные тарелки, спутниковые тарелочные антенны, радиотелескопы и другие высоконаправленные антенны.

Дифракция в дальней зоне

Что касается источников акустических волн, если источник имеет максимальный габаритный размер или апертуру Если ширина (D) велика по сравнению с длиной волны λ, то область дальней зоны обычно считается существующей на расстояниях, когда параметр Френеля S {\ displaystyle S}S больше 1:

S = 4 λ D 2 r>1, если r>r F = D 2 4 λ. {\ displaystyle S = {{4 \ lambda} \ over D ^ {2}} r>1, \; {\ text {for}} \; r>r _ {\ text {F}} = {D ^ {2 } \ over {4 \ lambda}}.}{\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 дальней зоны иногда называют «областью Фраунгофера». Другими синонимами являются «дальнее поле», «дальней зона» и «поле излучения». электромагнитное излучение состоит из компоненты электрического поля E и компоненты магнитного поля H . В дальней зоне, соотношение между составляющей электрического поля E и магнитной составляющей H является такой характеристикой любой свободно распространяющейся волны, где E и H имеют равные звездные величины в любой точке пространства (если они измерены в единицах, где c = 1).

Дифракция в ближнем поле

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 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), все четыре типа поляризации могут присутствовать в ближнем поле. поле.

«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 в мощности намного быстрее с расстоянием, чем эффекты излучения в дальней зоне. Нераспространяющиеся (или нераспространяющиеся) поля очень быстро затухают с увеличением расстояния, поэтому их влияние почти исключительно ощущается в ближней зоне.

Кроме того, в части ближнего поля, ближайшей к антенне (называемой «реактивным ближним полем», см. Ниже), поглощение электромагнитной энергии в этой области вторым устройством имеет эффекты, которые возвращаются к передатчику, 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

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 являются функцией длины волны (или расстояния). Однако эти граничные области составляют долю одной длины волны в ближнем поле. Внешняя граница реактивной области ближнего поля обычно считается расстоянием в 1 2 π {\ displaystyle {\ tfrac {1} {2 \ pi}}}{\ displaystyle {\ tfrac {1} { 2 \ pi}}} раз больше длины волны, т. е. λ 2 π {\ displaystyle {\ tfrac {\ lambda} {2 \ pi}}}{\ displaystyle {\ tfrac {\ lambda} {2 \ pi}}} или 0,159 × λ) от поверхности антенны. Реактивное ближнее поле также называется «индуктивным» ближним полем. Излучательное ближнее поле (также называемое «областью Френеля») покрывает оставшуюся часть ближнего поля от λ 2 π {\ displaystyle {\ tfrac {\ lambda} {2 \ pi}}}{\ displaystyle {\ tfrac {\ lambda} {2 \ pi}}} на расстояние Фраунгофера.

Реактивное ближнее поле или ближайшая часть ближнего поля

В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) соотношение между силы полей E и H часто слишком сложны, чтобы их легко предсказать, и трудно измерить. Любой компонент поля (E или H ) может доминировать в одной точке, а противоположное соотношение доминирует в точке, расположенной 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 также должны быть известны в каждой точке пространства.

В этой реактивной области не только электромагнитная волна излучается наружу в дальний космос, но и существует «реактивный» компонент электромагнитного поля, означающий, что природа поля вокруг антенны чувствительна к поглощению электромагнитного излучения в этой области и реагирует на него. 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, удерживается и накапливается очень близко к поверхности антенны. Эта энергия переносится назад и вперед от антенны к реактивному ближнему полю электромагнитным излучением типа, которое медленно изменяет электростатические и магнитостатические эффекты. Например, ток, протекающий в антенне, создает чисто магнитную составляющую в ближнем поле, которая затем схлопывается, когда ток в антенне начинает реверсировать, вызывая передачу магнитной энергии поля обратно электронам в антенне, поскольку изменяющееся магнитное поле вызывает самопроизвольное -индуктивное воздействие на антенну, которая его породила. Это возвращает энергию антенне регенерирующим образом, чтобы она не терялась. Аналогичный процесс происходит, когда электрический заряд накапливается в одной секции антенны под давлением сигнального напряжения и вызывает локальное электрическое поле вокруг этой секции антенны из-за собственной емкости антенны. Когда сигнал меняется на противоположный, так что заряд снова может уйти из этой области, создаваемое электрическое поле помогает отталкивать электроны в новом направлении их потока, как при разрядке любого униполярного конденсатора. Это снова возвращает энергию току антенны.

Из-за этого эффекта накопления и возврата энергии, если любой из индуктивных или электростатических эффектов в реактивном ближнем поле передает энергию поля электронам в другом (соседнем) проводнике, то эта энергия теряется в первичном антенна. Когда это происходит, на передатчике наблюдается дополнительный сток, возникающий из-за невозвращаемой реактивной энергии ближнего поля. Этот эффект проявляется в различном импедансе антенны, видимом передатчиком.

Реактивная составляющая ближнего поля может давать неоднозначные или неопределенные результаты при 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 лишь при небольшом уменьшении расстояния до антенны. Эта энергия может неблагоприятно повлиять как на людей, так и на измерительное оборудование из-за задействованных высоких мощностей.

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

Излучательное ближнее поле (иногда называемая областью Френеля ) не содержит компонентов реактивного поля от исходной антенны, поскольку она 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. Далее в радиационное ближнее поле (от одной половины длины волны до одной длины волны от источника) соотношение полей E и H более предсказуемо, но E к H отношения все еще сложны. Однако, поскольку излучающее ближнее поле по-прежнему является частью ближнего поля, существует вероятность возникновения непредвиденных (или неблагоприятных) условий.

Например, металлические объекты, такие как стальные балки, могут действовать как антенны, индуктивно принимая, а затем «переизлучая» часть энергии в ближнем поле излучения, образуя новую излучающую поверхность, которую следует учитывать. В зависимости от характеристик и частот антенны такая связь может быть 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.

По сравнению с полем в дальней зоне

Поле в ближнем поле замечательно для воспроизведения классического электромагнитной индукции и влияния электрического заряда на электромагнитное поле, что приводит к «затуханию» с увеличением расстояния от антенны: компонент магнитного поля, находящийся в квадратуре по фазе к электрическим полям, пропорционален обратной величине -куб расстояния (⁄ r ³) и напряженности электрического поля, пропорционального обратному квадрату расстояния (⁄ r ²). Это спад намного быстрее, чем у классического излучаемого дальнего поля (поля E и B, которые пропорциональны простому обратному расстоянию (​⁄r). Обычно вблизи Эффекты поля не важны на расстоянии, превышающем несколько длин волн антенны.

Эффекты более удаленного ближнего поля также связаны с эффектами передачи энергии, которые напрямую связаны с приемниками рядом с антенной, влияя на выходную мощность передатчика если они действительно соединяются, 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, 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 получает одну и ту же энергию от t передатчик, независимо от того, получен он немедленно или нет.

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

Классическое электромагнитное моделирование

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

Решение уравнения Максвелла для электрические и магнитные поля для локализованного источника колебаний, например антенны, окруженного однородным материалом (обычно вакуум или воздух ), дает поля, которые на большом расстоянии затухают пропорционально 1 ∕ r, где r - расстояние от источника. Это излучающие поля, а область, где r достаточно велико, чтобы эти поля преобладали, - это дальнее поле.

В общем, поля источника в однородной изотропной среде могут быть записаны как мультипольное разложение. Членами в этом разложении являются сферические гармоники (которые дают угловую зависимость), умноженные на сферические функции Бесселя (которые дают радиальную зависимость). При больших r сферические функции Бесселя затухают как 1 ∕ r, давая излучаемое поле выше. По мере приближения к источнику (меньшее r), приближаясь к ближнему полю, другие степени r становятся значительными.

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

Очень близко к источнику, мультипольное расширение менее полезно (требуется слишком много терминов для точного описания полей). Скорее, в ближнем поле иногда полезно выразить вклады как сумму излучающих полей в сочетании с затухающими полями, где последние экспоненциально затухают с увеличением 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

Если осциллирующий электрический ток приложен к проводящей структуре какого-либо типа, электрические и магнитные поля появятся в космосе 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 радио устройств, или это может быть апертура с заданным распределением тока, излучающая в пространство, как это обычно. 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 направленности, измеренной, когда та же самая антенна антенна используется для приема. Обычно можно найти простые соотношения, описывающие диаграммы направленности антенны в дальней зоне, часто с участием тригонометрических функций или, в худшем случае, отношений Фурье или преобразования Ханкеля между распределениями тока антенны и наблюдаемыми диаграммами направленности в дальней зоне. Хотя упрощения дальнего поля очень полезны в инженерных расчетах, это не означает, что функции ближнего поля нельзя вычислить, особенно с использованием современных компьютерных технологий. Изучение того, как формируются ближние поля вокруг антенной конструкции, может дать хорошее представление о работе таких устройств.

Импеданс

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

Z 0 = d e f μ 0 c 0 = μ 0 ε 0 = 1 ε 0 c 0. {\ Displaystyle Z_ {0} \ {\ overset {\ underset {\ mathrm {def}} {}} {=}} \ \ mu _ {0} c_ {0} = {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {0}} {\ varepsilon _ {0}}}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} c_ {0}}}.}{\ отображает tyle Z_ {0} \ {\ overset {\ underset {\ mathrm {def}} {}} {=}} \ \ mu _ {0} c_ {0} = {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {0 }} {\ varepsilon _ {0}}}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} c_ {0}}}.}

С обычным приближением для скорости свет в свободном пространстве c 0 ≈ 3,00 × 10 м / с, это дает часто используемое выражение:

Z 0 = 119,92 π Ω ≈ 120 π Ω ≈ 377 Ω {\ displaystyle Z_ {0} = 119.92 \, \ pi \ {\ text {Ω}} \ приблизительно 120 \, \ pi \ {\ text {Ω}} \ приблизительно 377 \ {\ text {Ω}}}{\ displaystyle Z_ {0} = 119.92 \, \ pi \ {\ text {Ω}} \ приблизительно 120 \, \ pi \ {\ text {Ω} } \ приблизительно 377 \ {\ text {Ω}}}

Электромагнитное поле в ближней зоне электрически малогабаритной катушечной антенны является преимущественно магнитной. Для малых значений ​⁄λполное сопротивление магнитной петли низкое и индуктивное, а на коротком расстоянии асимптотическое:

| Z W | ≈ 240 π 2 r λ ≈ 2370 r λ. {\ displaystyle | Z_ {W} | \ приблизительно 240 \ pi ^ {2} {\ frac {r} {\ lambda}} \ приблизительно 2370 {\ frac {r} {\ lambda}}.}{\ displaystyle | Z_ {W } | \ около 240 \ pi ^ {2} {\ frac {r} {\ lambda}} \ около 2370 {\ frac {r} {\ lambda}}.}

Электромагнитный Поле в ближней зоне электрически короткой стержневой антенны преимущественно электрическое. Для малых значений ​⁄λполное сопротивление высокое и емкостное, а на коротких расстояниях асимптотическое до:

| Z W | ≈ 60 λ р. {\ displaystyle | Z_ {W} | \ приблизительно 60 {\ frac {\ lambda} {r}}.}{\ displaystyle | Z_ {W} | \ приблизительно 60 {\ frac {\ lambda} {r}}.}

В обоих случаях волновое сопротивление сходится с волновым сопротивлением свободного пространства в качестве диапазона приближается к дальней зоне.

См. Также

Локальные эффекты
Другое

Примечания

Ссылки

Цитаты
Общественное достояние

В эту статью включены материалы общественного достояния из документа Администрации общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )

Эта статья включает материалы общественного достояния с веб-сайтов или документов правительства США. Администрация по охране труда.

Патенты

  • Джордж Ф. Лейдорф, США Патент 3278937, Система связи антенны в ближнем поле. 1966.
  • Grossi et al., U.S. Патент 3445844, Система связи с захваченным электромагнитным излучением. 1969.
  • США Патент 3461453, Снижение шума с помощью двухрежимной антенны. 1969.
  • Coffin et al., U.S. Патент 3662389, Определение диаграмм направленности антенн в дальней зоне с использованием измерений зонда Френеля. 1972.
  • Hansen et al., U.S. Патент 3879733, Способ и устройство для определения диаграмм направленности антенн ближнего поля. 1975
  • Wolff et al., U.S. Патент 5,459,405, Способ и устройство для определения близости объекта с использованием эффектов ближнего поля
Последняя правка сделана 2021-05-31 13:21:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте