Электромагниттік өрістің жақын және алыс аймақтары

Электромагниттік өріс аймақтары: Жақын және алыс өрістердің қасиеттері, күштің өзгеру заңдылықтары, толқын ұзындығына тәуелділігі. Электромагниттік сәулелену туралы біліңіз!

11 мин оқу

100%

Дереккөз: Near and far field — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Электромагниттік өрістің аймақтары электромагниттік ұғым

Жақын өріс және алыс өріс – бұл объектінің, мысалы, таратушы антеннаның немесе объектіден шашыраған сәулеленудің нәтижесінде пайда болатын электромагниттік (ЭМ) өрістің аймақтары. Антеннаға немесе шашыратушыға жақын жерде сәулелену емес, жақын өрістің мінез-құлқы басым, ал үлкен қашықтықта электромагниттік сәулеленудің алыс өріс мінез-құлқы басым. Алыс өрістегі "E" (электр) және "B" (магниттік) сәулелену өрістерінің күші көзден қашықтық артқан сайын азаяды, нәтижесінде берілген сигналдағы электромагниттік сәулеленудің қуаттылық интенсивтігі үшін кері квадрат заңы қолданылады. Керісінше, жақын өрістегі "E" және "B" өрістерінің күші қашықтықпен тезірек азаяды: сәулелену өрісі қашықтықтың квадратының кері пропорциясымен, ал реактивті өріс – куб заңы бойынша азаяды, соның салдарынан электр өрісінің бөліктеріндегі қуат тиісінше төртінші және алтыншы дәрежеге кері пропорционалды азаяды. Жақын өрістегі қуаттың жылдам азаюы жақын өріске байланысты әсерлердің антеннаның сәулелену бөлігінен бірнеше толқын ұзындығы қашықтықта толығымен жоғалуын қамтамасыз етеді, ал керісінше, антеннадан толқын ұзындығының шағын бөлігінде жақын өрістің әсері сәулеленуші алыс өрісті басып озады.

Өңірлер мен олардың өзара іс-қимылдарының қысқаша сипаттамасы

Әдетте жұмыс істейтін антеннада оң және теріс зарядтар металл бетінен шыға алмайды және қоздыру "сигналы" кернеуімен (таратушы немесе басқа ЭМ қоздыру потенциалы) бір-бірінен бөлінеді. Бұл тербелісті (немесе қайтымды) электр диполын жасайды, ол жақын және алыс өрістерге әсер етеді. Жақын және алыс өріс аймақтарының арасындағы шекара шамалы ғана анықталған, және ол көздің шығаратын басым толқын ұзындығына (λ) және сәуле шығарушы элементтің өлшеміне байланысты.

Далаға жақын

Жақын өріс – антенна өткізгіштерінің жанындағы немесе оны қоршаған кез келген поляризацияланатын ортадағы кеңістік. Бұл жерде электромагниттік толқындардың пайда болуы мен таралуына кедергі келтірілуі мүмкін, өріс сызықтары антеннаға электрлік байланыста қалғандықтан, жақын өрістегі сәулеленуді жақын маңдағы өткізгіш заттар сіңіргенде сигнал генераторының (реттегіштің) жүктемесіне көрінетін әсер етеді. Электр және магнит өрістері жақын өрісте бір-бірінен тәуелсіз болуы мүмкін, және әртүрлі аймақтарда бір өріс түрі екіншісінен айтарлықтай үлкен болуы мүмкін. Жақын өріс әсерін байқауға оңай мысал – адамның дене бөлігі «құлақтарға» жақын келгенде қоян құлақты телеантенналар жиынтығынан ұсталатын шу деңгейінің өзгеруі. Сол сияқты, адам антеннаға бір қолдың ұзындығындағы аймақта жүргенде, алыс станцияға қосылған FM радионың дыбыс сапасының өзгеруі де жақын өріс әсерінің мысалы. Жақын өріс көпполюсті өрістермен басқарылады, оларды белгілі бір фазалық қатынасы бар дипольдер жиынтығы ретінде қарастыруға болады. Дәстүрлі антенналардың басты мақсаты – ұзақ қашықтықтарға сымсыз байланыс жасау, олардың алыс өрісінде, ал көптеген қарапайым антенналар үшін сәулелену мен қабылдауды есептеу кезінде жақын өрістегі көптеген күрделі әсерлерді ескермеуге болады.

Жақын өріс реактивті

Ортамен өзара әрекеттесу (мысалы, дене сыйымдылығы) энергияның антеннаны қуаттандыратын көзге кері қайтарылуына себеп болуы мүмкін, бұл реактивті жақын өрісте болады. Бұл аймақ ең жақын антенна бетінен бір толқын ұзындығына жуық аралықта орналасқан. Жақын өріс, әсіресе смартфондар мен планшеттік компьютерлердің сенсорлық экрандарында қолданылатын сыйымдылықты сезімдеу технологияларын дамытуда үлкен қызығушылық тудырып отыр. Алыс өріс антеннаның жұмыс істеуінің әдеттегі аймағы болғанымен, жақын өріс байланысына арналған, бірақ антенна деп аталатын арнайы құрылғылар да бар. Трансформатордағы магниттік индукция осы типтегі жақын өрістегі электромагниттік өзара әрекеттесудің қарапайым мысалы болып табылады. Мысалы, RFID үшін жіберу/қабылдау катушкалары, сондай-ақ сымсыз зарядтау және индукциялық қыздыруға арналған эмиссиялық катушкалар; алайда, олардың техникалық жіктелуі "антенналар" ретінде күмәнді.

Жақын өрістегі радиациялық

Ортамен өзара әрекеттесу энергияны бастапқы көзіне қайтармай, электромагниттік толқынның бұрмалануына әкелуі мүмкін, бұл бұрмалану бос кеңістіктегіден айтарлықтай өзгеше болады және радиациялық жақын өріс аймағының бар екенін көрсетеді, ол біршама қашықта орналасқан. Сәуле пішіндендіру мақсатында, мысалы, Яги-Уда антеннасындай, осы аймаққа пассивті шағылыстыратын элементтер орналастырылуы мүмкін. Балама ретінде, бірнеше белсенді элементтерді антенна тізімін құру үшін біріктіруге болады, онда лоб пішіні элементтер арасындағы қашықтық пен қозу фазасына байланысты болады.

Өтпелі аймақ

Басқа бір аралық аймақ, өтпелі аймақ деп аталады, және ол антенна геометриясы мен қоздыру толқын ұзындығы сияқты сәл өзгеше негізде анықталады. Бұл антеннадан шамамен бір толқын ұзындығы қашықтықта орналасқан, және осы жерде сәулеленген толқындардың электрлік және магниттік бөліктері алғаш рет теңеседі: сызықтық антеннаның электр өрісіне сәйкес магнит өрісі пайда болады, ал циклдік антеннаның магнит өрісіне электр өрісі пайда болады. Оны жақын өрістің ең шеткі бөлігі немесе алыс өрістің ең жақын бөлігі деп қарастыруға болады. Осы нүктеден бастап электромагниттік толқын өздігінен тарала бастайды. Толқынның электрлік және магниттік өрістерінің арақатынасы толқын таралатын ортаның сипаттамалық кедергісімен анықталады.

Алыс дала

Ал алыс өріс – өрістің "қалыпты" электромагниттік сәулеленуге толыққан аймақ. Бұл аймақта электр диполінің қасиеттеріне ие көлденең электр немесе магнит өрістері басым. Антеннаның алыс өріс аймағында сәулеленген қуат қашықтықтың квадратына пропорционалды түрде кемиді, ал сәулеленудің жұтылуы таратушыға кері байланыс бермейді. Алыс өріс аймағында электромагниттік өрістің электрлік және магниттік бөліктерінің әрқайсысы екінші бөліктің өзгеруінен "туындайды" (немесе байланысты), ал электрлік және магниттік өріс күшіндегі қатынас ортаның толқындық кедергісіне тең. Радиациялық аймақ деп те аталатын алыс өріс салыстырмалы түрде біртекті толқын үлгісін тасымалдайды. Сәулелену аймағы маңызды, себебі алыс өрістердің амплитудасы әдетте кемиді. Бұл r қашықтығындағы бірлік ауданға шаққандағы жалпы энергия сфераның ауданына пропорционалды екенін білдіреді. Осылайша, алыс өріс энергиясы шексіз қашықтыққа таралады (сәулеленеді).

Электромагниттік ұзындығы бойынша аймақтар

Аймақтардың немесе аймақтардың мөлшерін анықтаудың ең қолайлы тәсілі – антеннаның сәулелену бөлігінің ортасынан толқын ұзындығының белгілі бір саны (бөлшектері) бойынша өлшеу болып табылады. Мұнда таңдалған мәндер шамамен екенін және әртүрлі антенналар мен орта жағдайында сәл дерлік сай келмейтінін жақсы түсіну керек. Кесу сандарының таңдалуы, әдеттегі жағдайда кездесетін өріс компоненттерінің амплитудаларының салыстырмалы күшіне негізделеді.

Электромагниттік қысқа антенналар

Шығаратын сәулеленудің толқын ұзындығының жартысынан кем антенналар үшін (яғни электромагниттік жағынан "қысқа" антенналар), алыс және жақын аймақтардың шекаралары сәулелену көзінен r қашықтығының λ толқын ұзындығына шағысқан қатынасы арқылы өлшенеді. Мұндай антенна үшін жақын өріс r ≪ λ радиусының ішіндегі аймақ, ал алыс өріс r ≫ 2 λ болатын аймақ. Аралық аймақ – екі аймақ арасында орналасқан бөлік. Антеннаның ұзындығы D маңызды емес, және бұл жуықтау барлық қысқа антенналар үшін бірдей (кейде "нүктелік антенналар" деп аталады). Мұндай антенналардың қысқа ұзындығы, антеннаның кез келген бөліміндегі зарядтар мен токтардың бір уақытта бірдей болуын қамтамасыз етеді, себебі RF таратушының кернеуі антеннаның барлық ұзындығы бойынша зарядтар мен токтарға әсер етпестен бұрылуға үлгірмейді.

Электромагниттік ұзын антенналар

Антенналар, шығаратын сәулеленудің жарты толқын ұзындығынан физикалық өлшемдері үлкен болса, жақын және алыс өрістер Фраунгофер қашықтығы арқылы анықталады. Йозеф фон Фраунгофердің құрметіне аталған келесі формула Фраунгофер қашықтығын береді:

мұнда D – сәуле шығарушының ең үлкен өлшемдері (немесе антеннаның диаметрі) және λ – радио толқынының толқын ұзындығы. Келесі екі қатынастың кез келгені тең, бұл аймақтың мөлшерін толқын ұзындығы λ немесе диаметрлері D арқылы көрсетеді:

Бұл қашықтық жақын және алыс өрістер арасындағы шекараны белгілейді. D параметрі антеннаның физикалық ұзындығына немесе рефлекторлық ("тарелкалық") антеннаның диаметріне сәйкес келеді. Антеннаның электромагниттік ұзындығы, шығарылатын басым толқын ұзындығының жартысынан артық болса, жақын өріс әсері, әсіресе фокусталаған антенналар үшін, едәуір кеңейеді. Керісінше, егер берілген антенна жоғары жиілікті сәулелендірсе, оның жақын өріс аймағы төменгі жиіліктің (яғни ұзын толқын ұзындығының) жағдайына қарағанда үлкен болады. Сонымен қатар, алыс өріс қашықтығы dF осы екі шартты қанағаттандыруы керек. мұнда D – антеннаның ең үлкен физикалық сызықтық өлшемдері, ал dF – алыс өріс қашықтығы. Алыс өріс қашықтығы – бұл таратушы антеннадан Фраунгофер аймағының бастауына дейінгі немесе алыс өріске дейінгі қашықтық.

Өтпелі аймақ

Антеннадан бір-екі толқын ұзындығы қашықтықта орналасқан жақын және алыс өріс аймақтары арасындағы өту аймағы – жақын және алыс өріс әсерлерінің екеуі де маңызды болатын аралық аймақ. Осы аймақта жақын өрістің әсері азайып, маңыздылығын жояды, нәтижесінде алыс өріс әсерлері басым өзара әрекеттесуге айналады. (Жоғарыдағы "Алыс өріс" суретін қараңыз.)

Жақын өрістің дифракциясы

Алыс өрістен өзгеше, жақын өрістегі дифракциялық сурет шексіздікте байқалатын суреттен күрт өзгешеленеді және көзден қашықтыққа байланысты өзгереді. Жақын өрісте 'E' мен 'H' арасындағы қатынас өте күрделі болады. Сонымен қатар, электромагниттік толқындар көбінесе бір ғана поляризация түрімен (көлденең, тік, дөңгелек немесе эллипстік) сипатталатын алыс өрістен айырмашылығы, жақын өрісте барлық төрт поляризация түрі кездесуі мүмкін.

Алыс даламен салыстырғанда

Жақын өріс классикалық электромагниттік индукция мен электр зарядтарының ЭМ өрісіне тигізетін әсерін қайта жаңғыртумен ерекшеленеді, бұл әсерлер антеннадан қашықтық артқан сайын "жоғалады": Электр өрістеріне фазалық төңкеріс жасаған магнит өрісі, қашықтықтың кубқа кері пропорционалды, ал электр өрісінің күші қашықтықтың квадратына кері пропорционалды. Бұл төмендеу, классикалық сәулеленген алыс өрістегідей ("E" және "B" өрістері), қарапайым қашықтыққа кері пропорционалдықтан әлдеқайда жылдам. Алыстағы жақын өрістің әсерлері антеннаға жақын орналасқан қабылдағыштармен тікелей байланысатын энергия беруді де қамтиды, егер байланыс болса, жібергіштің қуат шығысына әсер етеді, әйтпесе – жоқ. Бір қырынан, жақын өріс энергияны тек қабылдағышқа, энергия қолданылған жағдайда ғана қолжетімді етеді, және жібергіш бұл энергияны қабылдағыштан таралатын электромагниттік жақын өрістерге жауап беру арқылы сезеді. Бұл принцип индукциялық байланысқа негіделген құрылғыларда да қолданылады, мысалы, трансформаторда, егер екінші контурдан қуат алынса, бірінші контур көбірек қуат тартады. Бұл алыс өрістен өзгеше, ол бірден қабылданып алынбаса да, жібергіштен үнемі бірдей қуатты тартады. Антеннаға жақын электромагниттік өрістің басқа компоненттерінің (сәулеленбейтін/дипольді емес) амплитудасы өте жоғары болуы мүмкін, бірақ олар қашықтықпен тез төмендегендіктен, энергияны шексіз қашықтыққа сәулелендірмейді. Оның орнына, олардың энергиясы антеннаға жақын аймақта тұрады, антеннаға жақын аймақтағы қабылдағышты қоздырмаса, жібергіштен қуат тартпайды. Осылайша, жақын өрістер энергияны тек өте жақын орналасқан қабылдағыштарға ғана береді, және олар оны алғанда, жібергіште қосымша қуат тартылғандай сезіледі. Мұндай әсердің мысалы ретінде, қуат кеңістікте трансформаторда немесе металл іздегіште жақын өріс құбылыстары арқылы беріледі (бұл жағдайда индукциялық байланыс), өте қысқа қашықтықта (яғни, сигналдың бір толқын ұзындығы шегінде).

The near field is remarkable for reproducing classical electromagnetic induction and electric charge effects on the EM field, which effects "die out" with increasing distance from the antenna: The magnetic field component that’s in phase quadrature to electric fields is proportional to the inverse cube of the distance and electric field strength proportional to inverse square of distance This fall off is far more rapid than the classical radiated far field ('E' and 'B' fields, which are proportional to the simple inverse distance Typically near field effects are not important farther away than a few wavelengths of the antenna. More distant near field effects also involve energy transfer effects that couple directly to receivers near the antenna, affecting the power output of the transmitter if they do couple, but not otherwise. In a sense, the near field offers energy that is available to a receiver only if the energy is tapped, and this is sensed by the transmitter by means of responding to electromagnetic near fields emanating from the receiver. Again, this is the same principle that applies in induction coupled devices, such as a transformer, which draws more power at the primary circuit, if power is drawn from the secondary circuit. This is different with the far field, which constantly draws the same energy from the transmitter, whether it is immediately received, or not. The amplitude of other components (non radiative/non dipole) of the electromagnetic field close to the antenna may be quite powerful, but, because of more rapid fall off with distance than behavior, they do not radiate energy to infinite distances. Instead, their energies remain trapped in the region near the antenna, not drawing power from the transmitter unless they excite a receiver in the area close to the antenna. Thus, the near fields only transfer energy to very nearby receivers, and, when they do, the result is felt as an extra power draw in the transmitter. As an example of such an effect, power is transferred across space in a common transformer or metal detector by means of near field phenomena (in this case inductive coupling), in a strictly short range effect (i. e., the range within one wavelength of the signal).

Классикалық ЭМ модельдеу

Максвеллдің электр және магнит өрістерінің теңдеулерін, мысалы, біртекті материалмен (әдетте вакуум немесе ауа) қоршалған, жергілікті тербелісті көз – антенна үшін шешу, алыстағы өрістердің r – көзден қашықтыққа пропорционалды түрде азаюын көрсетеді. Бұл сәулелену өрістері, ал бұл өрістердің басымдық тануы үшін r жеткілікті үлкен болатын аймақ алыс өріс деп аталады. Жалпы, біртекті изотроптық ортадағы көздің өрістерін көпполюстік кеңейту түрінде жазуға болады. Бұл кеңейтудегі мүшелер бұрыштық тәуелділікті беретін сфералық гармоникалармен және радиалдық тәуелділікті беретін сфералық Бессель функцияларымен көбейтіледі. Үлкен r үшін сфералық Бессель функциясы азаяды, осылайша жоғарыдағы сәулеленген өріс пайда болады. Көзға жақындағанда (кішірек r), жақын өріске жақындағанда, r-дің басқа да дәрежелері маңызды бола бастайды. Келесі маңызды мүше пропорционалды және кейде индукциялық мүше деп аталады. Оны негізінен магниттік энергия ретінде қарастыруға болады, ол өрісте сақталады және әрбір жарты циклда өзіндік индукция арқылы антеннаға қайтарылады. Одан да кішірек r үшін пропорционалды мүшелер маңызды болады; бұл кейде электростатикалық өріс мүшесі деп аталады және оны антенна элементіндегі электр зарядынан туындаған деп санауға болады. Көзға өте жақын жерде көпполюстік кеңейтудің тиімділігі төмендейді (өрістерді дәл сипаттау үшін тым көп мүшелер қажет). Керісінше, жақын өрісте үлестерді сәулелену өрістерінің қосындысы және r-мен экспоненциалды түрде азаятын өте аз өрістердің жиынтығы ретінде көрсету пайдалы болуы мүмкін. Ал көздің өзінде немесе біртекті емес материалдар аймағына кіргенде көпполюстік кеңейту жарамсыз болады және Максвелл теңдеулерінің толық шешімі қажет.

Антенналар

Егер қандай да бір өткізгіш құрылымға тербелісті электр тогы қолданылса, онда сол құрылымның айналасында электр және магнит өрістері пайда болады. Егер бұл өрістер кеңістікте таралатын толқынға тараса, онда құрылымды көбінесе антенна деп атайды. Мұндай антенна радио құрылғыларына тән кеңістіктегі өткізгіштердің жиынтығы болуы мүмкін, немесе микротолқынды немесе оптикалық құрылғыларына тән кеңістікке сәулеленуші белгілі бір ток үлестірімі бар апертура болуы мүмкін. Антеннаның айналасындағы өрістердің нақты мәндері әдетте өте күрделі және антеннадан қашықтыққа қарай түрліше өзгеруі мүмкін. Дегенмен, көптеген практикалық қолданыстарда, антеннадан бақылаушыға дейінгі қашықтық, таратушы антеннаның ең үлкен өлшемінен әлдеқайда артық болатын жағдайларға ғана қызығушылық танытылады. Антеннаның айналасындағы өрістерді сипаттайтын теңдеулерді үлкен қашықтықты қарастыра отырып және соңғы өріске аз үлес қосатын барлық терминдерді жойып, оңайлатуға болады. Бұл оңайлатылған үлестірулер "алыс өріс" деп аталады және әдетте энергияның бұрыштық үлестірілуі қашықтыққа байланысты өзгермейді, бірақ энергия деңгейлері қашықтық пен уақытқа байланысты өзгереді. Мұндай бұрыштық энергия үлестірілімін әдетте антенналық диаграмма деп атайды. Айналым принципіне сәйкес, белгілі бір антенна хабар жіберген кезде байқалатын диаграмма, сол антеннаны қабылдау үшін қолданғанда өлшенетін диаграммамен бірдей болады. Әдетте, антеннаның алыс өріс диаграммаларын сипаттайтын қарапайым қатынастар кездеседі, олар көбінесе тригонометриялық функцияларды немесе ең нашар жағдайда Фурье немесе Ханкель түрлендірулерін антенна тогының үлестірілімі мен байқалатын алыс өріс диаграммалары арасындағы байланыс ретінде қамтиды. Алыс өрісті жеңілдету инженерлік есептеулерде өте пайдалы болғанымен, бұл жақын өріс функцияларын есептеуге болмайды дегенді білдірмейді, әсіресе қазіргі заманғы компьютерлік техниканы пайдалану арқылы. Антенна құрылымының айналасындағы жақын өрістердің қалай қалыптасатынын зерттеу, мұндай құрылғылардың жұмыс істеуін түсінуге үлкен көмектеседі.

If an oscillating electrical current is applied to a conductive structure of some type, electric and magnetic fields will appear in space about that structure. If those fields are lost to a propagating space wave the structure is often termed an antenna. Such an antenna can be an assemblage of conductors in space typical of radio devices or it can be an aperture with a given current distribution radiating into space as is typical of microwave or optical devices. The actual values of the fields in space about the antenna are usually quite complex and can vary with distance from the antenna in various ways. However, in many practical applications, one is interested only in effects where the distance from the antenna to the observer is very much greater than the largest dimension of the transmitting antenna. The equations describing the fields created about the antenna can be simplified by assuming a large separation and dropping all terms that provide only minor contributions to the final field. These simplified distributions have been termed the "far field" and usually have the property that the angular distribution of energy does not change with distance, although the energy levels still vary with distance and time. Such an angular energy distribution is usually termed an antenna pattern. Note that, by the principle of reciprocity, the pattern observed when a particular antenna is transmitting is identical to the pattern measured when the same antenna is used for reception. Typically one finds simple relations describing the antenna far field patterns, often involving trigonometric functions or at worst Fourier or Hankel transform relationships between the antenna current distributions and the observed far field patterns. While far field simplifications are very useful in engineering calculations, this does not mean the near field functions cannot be calculated, especially using modern computer techniques. An examination of how the near fields form about an antenna structure can give great insight into the operations of such devices.

Қоғамдық домен

Еңбек қауіпсіздігі және денсаулықты сақтау басқармасы.

Патенттер

Джордж Ф. Лейдорф, , Антеннаның жақын өрістегі байланыс жүйесі. 1966 жыл. Grossi және басқалар, , Қамауға алынған электромагниттік сәулелену байланыс жүйесі. 1969 ж. , Екі режимді антеннамен шуды азайту. 1969 жыл. Коффин және басқалар, , Френель зонды өлшеулерін пайдаланып алыс өрістегі антенна диаграммаларын анықтау. 1972 жыл. Hansen және басқалар, , Жақын өрістегі антенна диаграммаларын анықтау әдісі және құрал. 1975 Wolff және басқалар, , Жақын өріс эффектілерін пайдаланып нысанға жақындықты сезу әдісі және құрал.