一文看电磁场近场和远场的差别

　　无线电波应该称作电磁波或者简称为EM波，因为无线电波包含电场和磁场。来自发射器、经由天线发出的信号会产生电磁场，天线是信号到自由空间的转换器和接口。

　　因此，电磁场的特性变化取决于与天线的距离。可变的电磁场经常划分为两部分——近场和远场。要清楚了解二者的区别，就必须了解无线电波的传播。

　　1电磁波

　　图1展示了典型的半波偶极子天线是如何产生电场和磁场的。转发后的信号被调制为正弦波，电压呈极性变化，因此在天线的各元件间生成了电场，极性每半个周期变换一次。天线元件的电流产生磁场，方向每半个周期变换一次。电磁场互为直角正交。

　　(1) 围绕着半波偶极子的电磁场包括一个电场(a)和一个磁场(b)。电磁场均为球形且互成直角天线旁边的磁场呈球形或弧形，特别是距离天线近的磁场。这些电磁场从天线向外发出，越向外越不明显，特性也逐渐趋向平面。接收天线通常接收平面波。

　　虽然电磁场存在于天线周围，但他们会向外扩张(图2)，超出天线以外后，电磁场就会自动脱离为能量包独立传播出去。实际上电场和磁场互相产生，这样的“独立”波就是无线电波。

　　(2)距离天线一定范围内，电场和磁场基本为平面并以直角相交。注意传播方向和电磁场均成直角。在(a)图中，传播方向和电磁场线方向成正交，即垂直纸面向内或向外。在(b)图中，磁场线垂直纸面向外，如图中圆圈所示。

　　2近场

　　对近场似乎还没有正式的定义——它取决于应用本身和天线。通常，近场是指从天线开始到1个波长(λ)的距离。波长单位为米，公式如下：

　　λ = 300/fMHz

　　λ = 300/fMHz

　　因此，从天线到近场的距离计算方法如下：

　　λ/2π = 0.159λ

　　λ/2π = 0.159λ

　　图3标出了辐射出的正弦波和近场、远场。近场通常分为两个区域，反应区和辐射区。在反应区里，电场和磁场是最强的，并且可以单独测量。根据天线的种类，某一种场会成为主导。例如环形天线主要是磁场，环形天线就如同变压器的初级，因为它产生的磁场很大。

　　(3)近场和远场的边界、运行频段的波长如图所示。天线应位于正弦波左侧起始的位置。

　　辐射区内，电磁场开始辐射，标志着远场的开始。场的强度和天线的距离成反比(1/ r3)

　　图3所示的过渡区是指近场和远场之间的部分(有些模型没有定义过渡区)。图中，远场开始于距离为2λ的地方。

　　3远场

　　和近场类似，远场的起始也没有统一的定义。有认为是2 λ，有坚持说是距离天线3 λ或10 λ以外。还有一种说法是5λ/2π，另有人认为应该根据天线的最大尺寸D，距离为 50D2/λ。

　　还有人认为近场远场的交界始于2D2/λ。也有人说远场起始于近场消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

　　远场是真正的无线电波。它在大气中以3亿米/秒的速度，即接近18.64万英里/秒的速度传播，相当于光速。电场和磁场互相支持并互相产生，信号强度和距离平方成反比(1/r2)。麦克斯韦在其著名的公式中描述了这一现象。

　　4麦克斯韦方程组

　　19世纪70年代末，在无线电波发明之前，苏格兰物理学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦预测出了电磁波的存在。他综合了安培、法拉第和欧姆等人的定律，制定了一套方程表达电磁场是如何相互产生和传播的，并断定电场和磁场互相依存、互相支持。19世纪80年代末，德国物理学家海因里希?赫兹证明了麦克斯韦的电磁场理论。

　　麦克斯韦创造了四个基本方程，表达电场、磁场和时间之间的关系。电场随时间推移产生移动电荷，也就是电流，从而产生磁场。另一组方式是说，变化的磁场可以产生电场。天线发出的电磁波在空间中自行传播。本文没有列出这些方程组，但你应该记得包含一些不同的方程。

　　5应用

　　远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：

　　Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

　　Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

　　公式中，Pr =接收功率;Pt =发射功率;Gr = 接收天线增益(功率比);Gt =发射天线增益(功率比);r=到天线的距离。公式在视线所及的无障碍开阔空间中适用。

　　这里有两个问题需要讨论。接收功率和距离r的平方成反比，和波长的平方成正比，也就是说，波长较长、频率较低的电磁波传的更远。例如，同等的功率和天线增益下，900MHz的信号会比2.4GHz的信号传播得更远。这一公式也常常用它来分析现代无线应用的信号强度。

　　为了准确测量信号的传播，还必须了解天线在远场的辐射模式。在近场的反应区里，接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰，造成错误的结果。另一方面，如果有特定的测量仪器，近场的辐射模式就可以准确测量。

　　近场在通信领域也很有用。近场模式可以用于射频识别(RFID)和近场通信(NFC)。

　　RFID是条形码的电子版，它是一个内部有芯片的很薄的标签，其中芯片集成了存储和特定的电子代码，可以用作识别、最总或其他用途。标签还包含一个被动收发器，在接近“阅读器”的时候，由阅读器发出的很强的RF信号就会被标签识别。阅读器和标签的天线都是环形天线，相当于变压器的初级和次级。

　　由标签识别的信号经过整流滤波转换成直流，为标签存储和转发供能。发射器将代码发送到阅读器上，用于识别和处理。主动标签有时会用到电池，将感应距离延长到近场以外的地方。RIFD标签的频率范围各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

　　在900MHz，波长为：

　　λ = 300/fMHz

　　λ = 300/fMHz

　　λ = 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm

　　λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm

　　因此根据近场距离计算公式：

　　λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)

　　λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (约2英寸)

　　感应距离通常超过这一数字，所以这一频率下距离实际上也延伸到了远场。

　　NFC也采用了存储和类似于信用卡的特定代码。电池驱动的内部转发器可以把代码发射到阅读器上。NFC也使用近场，范围一般为几英寸。NFC的频率为13.56MHz，因此波长为：

　　λ = 300/fMHz

　　λ = 300/fMHz

　　300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet

　　300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

　　近场距离为不超过：

　　λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet

　　λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

　　因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。

　　NFC是部署“电子钱包”所使用的技术。通过电子钱包，消费者可以无需信用卡，而用支持NFC的智能手机进行付款。