Введение

Регионы электромагнитного поля
электромагнитная концепция

Близкое и дальнее поля – это области электромагнитного (ЭМ) поля вокруг объекта, такого как излучающая антенна, или результат рассеяния излучения от объекта. Неизлучающие эффекты ближнего поля преобладают вблизи антенны или рассеивателя, в то время как эффекты излучения дальнего поля преобладают на больших расстояниях. Напряженности электрического ("E") и магнитного ("B") полей дальнего поля уменьшаются с увеличением расстояния от источника, что приводит к обратно пропорциональной квадрату зависимости интенсивности мощности электромагнитного излучения в передаваемом сигнале. В отличие от этого, напряженности полей "E" и "B" ближнего поля уменьшаются более быстро с расстоянием: излучающее поле уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, реактивное поле – обратно пропорционально кубу расстояния, что приводит к уменьшению мощности в частях электрического поля обратно пропорционально четвертой и шестой степеням расстояния соответственно. Быстрое уменьшение мощности в ближнем поле обеспечивает, что эффекты, обусловленные ближним полем, практически исчезают на расстоянии нескольких длин волн от излучающей части антенны, и, наоборот, обеспечивает, что на расстояниях, составляющих малую долю длины волны от антенны, эффекты ближнего поля преобладают над излучающим дальним полем.

Резюме регионов и их взаимодействия

В нормально работающей антенне положительные и отрицательные заряды не могут покинуть металлическую поверхность и разделяются друг от друга напряжением возбуждающего "сигнала" (передатчика или другого электромагнитного потенциала возбуждения). Это создает колеблющийся (или меняющий знак) электрический диполь, который воздействует как на ближнее, так и на дальнее поле. Граница между областями ближнего и дальнего поля определена нечетко и зависит от основной длины волны (λ), излучаемой источником, и размеров излучающего элемента.

Близ поля

Близкое поле – это область вблизи проводников антенны или внутри любой поляризуемой среды, её окружающей, где генерация и излучение электромагнитных волн могут испытывать возмущения, а линии поля остаются электрически связанными с антенной. В результате, поглощение излучения в ближнем поле близлежащими проводящими объектами ощутимо влияет на нагрузку на генератор сигнала (передатчик). Электрические и магнитные поля могут существовать независимо друг от друга в ближнем поле, и в различных его областях один тип поля может значительно преобладать над другим. Наглядным примером эффекта ближнего поля является изменение уровня принимаемого шума телевизионной антенны типа "заячьи уши" при приближении к ней части человеческого тела. Аналогично изменяется качество звука FM-радио, настроенного на удалённую станцию, когда человек находится в пределах вытянутой руки от его антенны. Близкое поле описывается полями многополюсного типа, которые можно представить как совокупность диполей с фиксированным соотношением фаз. Основное назначение обычных антенн – беспроводная связь на больших расстояниях, в дальней зоне, и при расчётах излучения и приёма для многих простых антенн большинство сложных эффектов ближнего поля можно удобно не учитывать.

Реактивный вблизи поля

Взаимодействие со средой (например, емкость тела) может приводить к отражению энергии обратно к источнику, питающему антенну, как это происходит в реактивном ближнем поле. Эта зона простирается примерно на расстояние, равное одной длине волны от ближайшей поверхности антенны. Ближнее поле вызывает все больший интерес, особенно в разработке емкостных сенсоров, используемых, например, в сенсорных экранах смартфонов и планшетных компьютеров. Хотя дальнее поле является основной областью функционирования антенн, существуют устройства, называемые антеннами, но специализирующиеся на связи в ближнем поле. Магнитная индукция, наблюдаемая в трансформаторе, может служить очень простым примером такого электромагнитного взаимодействия в ближнем поле. Примерами являются передающие/приемные катушки для RFID, а также катушки для беспроводной зарядки и индукционного нагрева; однако их техническое отнесение к классу "антенн" остается предметом споров.

Радиационное поле

Взаимодействие со средой может не приводить к возврату энергии к источнику, но вызывать искажение электромагнитной волны, существенно отличающееся от того, что наблюдается в свободном пространстве. Это указывает на область радиационного ближнего поля, расположенную на некотором расстоянии. В этой зоне можно размещать пассивные отражающие элементы для формирования диаграммы направленности, как, например, в антенне Яги-Уда. Альтернативно, несколько активных элементов могут быть объединены в антенную решетку, при этом форма лепестков диаграммы направленности зависит от расстояний между элементами и фазы возбуждения.

Переходная зона

Другая промежуточная область, называемая переходной зоной, определяется несколько иным принципом, а именно геометрией антенны и длиной волны возбуждения. Она находится примерно на расстоянии одной длины волны от антенны и является областью, где электрическая и магнитная составляющие излучаемой волны впервые приходят в равновесие: электрическое поле линейной антенны приобретает соответствующую магнитную составляющую, а магнитное поле кольцевой антенны – электрическую. Эту зону можно рассматривать как самую дальнюю часть ближнего поля или как ближайшую часть дальнего поля. Именно за пределами этой зоны электромагнитная волна становится способной к самораспространению. Электрическая и магнитная составляющие волны пропорциональны друг другу в соотношении, определяемом характеристическим импедансом среды, в которой волна распространяется.

Далекое поле

Напротив, дальняя зона – это область, в которой поле стабилизировалось и перешло в "нормальное" электромагнитное излучение. В этой области преобладают поперечные электрические или магнитные поля с характеристиками электрического диполя. В дальней зоне антенны излучаемая мощность уменьшается пропорционально квадрату расстояния, и поглощение излучения не оказывает обратного влияния на передатчик. В дальней зоне каждая из электрической и магнитной составляющих ЭМ-поля "возникает" (или связана) с изменением другой составляющей, а отношение интенсивностей электрического и магнитного полей равно волновому сопротивлению среды. Также известная как зона излучения, дальняя зона характеризуется относительно однородной волновой картиной. Зона излучения важна, поскольку амплитуда дальних полей в общем случае уменьшается. Это означает, что общая энергия на единицу площади на расстоянии r пропорциональна, а площадь сферы пропорциональна , следовательно, общая энергия, проходящая через сферу, остается постоянной. Это означает, что энергия дальнего поля фактически уходит на бесконечное расстояние (распространяется).

Регионы по электромагнитной длине

Наиболее удобным подходом является определение размеров областей или зон в терминах фиксированных чисел (долей) длин волн, отстоящих от центра излучающей части антенны, при четком понимании того, что выбранные значения являются лишь приблизительными и могут быть несколько неточными для различных антенн в различных условиях. Выбор пороговых значений основан на типичных относительных значениях амплитуд компонентов поля, наблюдаемых на практике.

Электромагнитно короткие антенны

Для антенн, физическая длина которых меньше половины длины волны излучаемого ими сигнала (то есть, электромагнитно "коротких" антенн), границы дальней и ближней зон определяются простым соотношением между расстоянием r от излучающего источника и длиной волны λ излучения. Для такой антенны ближняя зона – это область в радиусе r ≪ λ, а дальняя зона – область, для которой r ≫ 2 λ. Переходная зона находится между этими областями. Длина антенны, D, не имеет значения, и приближение одинаково для всех коротких антенн (иногда идеализируемых как так называемые точечные антенны). В таких антеннах малая длина означает, что заряды и токи в каждой части антенны одинаковы в любой момент времени, поскольку антенна слишком коротка для того, чтобы напряжение ВЧ-передатчика успело измениться до того, как его влияние на заряды и токи распространится по всей длине антенны.

Электромагнитно длинные антенны

Для антенн, физически больших, чем полудлина волны излучаемого ими сигнала, ближнее и дальнее поля определяются с использованием расстояния Фраунгофера. Названное в честь Иосифа фон Фраунгофера, следующее выражение определяет расстояние Фраунгофера:

где D – наибольший размер излучателя (или диаметр антенны), а λ – длина волны радиоволны. Любое из следующих двух соотношений эквивалентно и подчеркивает размер области в терминах длин волн λ или диаметров D:

Это расстояние определяет границу между ближним и дальним полями. Параметр D соответствует физической длине антенны или диаметру рефлекторной антенны ("тарелки"). Антенна, электромагнитно большая, чем половина доминирующей длины волны излучения, значительно расширяет эффекты ближнего поля, особенно у фокусирующих антенн. Напротив, если антенна излучает высокочастотное излучение, область ее ближнего поля будет больше, чем можно было бы ожидать при более низкой частоте (то есть большей длине волны). Кроме того, расстояние до дальней области dF должно удовлетворять следующим двум условиям:

где D – наибольший физический линейный размер антенны, а dF – расстояние до дальней области. Расстояние до дальней области – это расстояние от передающей антенны до начала области Фраунгофера, или до дальнего поля.

Переходная зона

Переходная зона между областями ближнего и дальнего поля, простирающаяся на расстояние от одной до двух длин волн от антенны, является промежуточной областью, где значимы как эффекты ближнего, так и дальнего поля. В этой области влияние ближнего поля ослабевает и перестает играть важную роль, уступая место доминирующему воздействию дальнего поля. (См. изображение "Дальнее поле" выше.)

Дифракция ближнего поля

В отличие от дальней области, дифракционная картина в ближней области обычно существенно отличается от наблюдаемой на бесконечности и изменяется в зависимости от расстояния до источника. В ближней области связь между векторами 'E' и 'H' становится очень сложной. Кроме того, в отличие от дальней области, где электромагнитные волны обычно характеризуются одним типом поляризации (горизонтальной, вертикальной, круговой или эллиптической), в ближней области могут присутствовать все четыре типа поляризации.

По сравнению с дальним полем

Близкое поле примечательно тем, что воспроизводит классические эффекты электромагнитной индукции и влияния электрического заряда на ЭМ-поле, которые затухают с увеличением расстояния от антенны: компонент магнитного поля, сдвинутый по фазе на 90 градусов относительно электрического поля, пропорционален обратному кубу расстояния, а напряженность электрического поля – обратному квадрату расстояния. Это затухание происходит значительно быстрее, чем в классическом излучаемом дальнем поле (поля E и B, которые пропорциональны простому обратному расстоянию). Эффекты ближнего поля на большем расстоянии также включают в себя эффекты передачи энергии, которые непосредственно взаимодействуют с приемниками, расположенными вблизи антенны, влияя на выходную мощность передатчика, если такое взаимодействие происходит, и не влияя в противном случае. В некотором смысле, близкое поле предоставляет энергию, доступную приемнику только при ее отборе, и передатчик это фиксирует, реагируя на электромагнитные поля ближнего действия, излучаемые приемником. Это тот же принцип, который применяется в устройствах, связанных индуктивной связью, таких как трансформатор, который потребляет больше энергии в первичной цепи, если из вторичной цепи отбирается мощность. Это отличается от дальнего поля, которое постоянно отбирает одну и ту же энергию от передатчика, независимо от того, немедленно ли она принимается или нет. Амплитуда других компонентов (неизлучающих/недипольных) электромагнитного поля вблизи антенны может быть достаточно велика, но из-за более быстрого затухания с расстоянием, чем в дальнем поле, они не излучают энергию на бесконечное расстояние. Вместо этого их энергия остается локализованной в области вблизи антенны, не потребляя энергию от передатчика, если они не возбуждают приемник в непосредственной близости от антенны. Таким образом, поля ближнего действия передают энергию только очень близким приемникам, и когда это происходит, передатчик ощущает это как дополнительное потребление энергии. В качестве примера такого эффекта, передача энергии в пространстве в обычном трансформаторе или металлодетекторе осуществляется посредством явлений ближнего поля (в данном случае индуктивной связи) в строго ограниченном диапазоне (то есть в пределах одной длины волны сигнала).

Классическое моделирование ЭМ

Решение уравнений Максвелла для электрических и магнитных полей локализованного колеблющегося источника, такого как антенна, окруженного однородным материалом (обычно вакуумом или воздухом), дает поля, которые на большом расстоянии затухают пропорционально , где r – расстояние от источника. Это излучающие поля, а область, где r достаточно велико для доминирования этих полей, называется дальней зоной. В общем случае поля источника в однородной изотропной среде можно представить в виде многополярного разложения. Члены этого разложения – сферические гармоники (определяющие угловую зависимость), умноженные на сферические функции Бесселя (определяющие радиальную зависимость). При больших значениях r сферические функции Бесселя затухают как , что соответствует указанному выше излучающему полю. По мере приближения к источнику (уменьшения r), вблизи ближней зоны, другие степени r становятся значимыми. Следующий значимый член пропорционален и иногда называется индукционным членом. Его можно рассматривать как магнитную энергию, преимущественно запасенную в поле, которая возвращается в антенну в каждом полуцикле посредством самоиндукции. При еще меньших значениях r значимыми становятся члены, пропорциональные ; это иногда называют электростатическим членом, который можно рассматривать как обусловленный электрическим зарядом в элементе антенны. В непосредственной близости от источника многополярное разложение становится менее полезным (для точного описания полей требуется слишком много членов). Вместо этого в ближней зоне иногда полезно выражать вклад как сумму излучающих полей в сочетании с затухающими полями, последние из которых экспоненциально затухают с увеличением r. И в самом источнике, или как только мы попадаем в область неоднородных материалов, многополярное разложение перестает быть применимым, и обычно требуется полное решение уравнений Максвелла.

Антенны

Если на проводящую структуру какого-либо типа подается колеблющийся электрический ток, в пространстве вокруг этой структуры возникают электрические и магнитные поля. Если эти поля излучаются в виде распространяющейся пространственной волны, то структура обычно называется антенной. Такая антенна может представлять собой совокупность проводников в пространстве, характерную для радиоустройств, или же апертуру с заданным распределением тока, излучающую в пространство, как это типично для микроволновых или оптических устройств. Фактические значения полей в пространстве вокруг антенны обычно достаточно сложны и могут изменяться в зависимости от расстояния до антенны различными способами. Однако во многих практических приложениях нас интересуют только эффекты, при которых расстояние от антенны до наблюдателя значительно превышает наибольший размер передающей антенны. Уравнения, описывающие поля, создаваемые антенной, можно упростить, предположив большое расстояние и отбросив все члены, вносящие лишь незначительный вклад в результирующее поле. Эти упрощенные распределения называются "дальним полем" и обычно характеризуются тем, что угловое распределение энергии не изменяется с расстоянием, хотя уровни энергии все же меняются с расстоянием и временем. Такое угловое распределение энергии обычно называют диаграммой направленности антенны. Следует отметить, что в соответствии с принципом взаимности, диаграмма направленности, наблюдаемая при передаче с конкретной антенны, идентична диаграмме направленности, измеренной при использовании той же антенны для приема. Как правило, можно найти простые соотношения, описывающие диаграммы направленности антенны в дальнем поле, часто включающие тригонометрические функции или, в худшем случае, преобразования Фурье или Ханкеля, связывающие распределение тока антенны и наблюдаемые диаграммы направленности в дальнем поле. Хотя упрощения, связанные с дальним полем, очень полезны в инженерных расчетах, это не означает, что функции ближнего поля нельзя вычислить, особенно с использованием современных компьютерных методов. Исследование формирования ближних полей вокруг антенной структуры может дать ценное представление о работе таких устройств.

Общественное достояние

Управление по охране труда и технике безопасности.

Патенты

Джордж Ф. Лейдорф, система соединения антенн ближнего поля. 1966 год. Grossi et al., Система связи с использованием задержанного электромагнитного излучения. 1969 год. , Снижение шума с помощью двухрежимной антенны. 1969 год. Coffin et al., Определение диаграмм направленности антенны дальнего поля с использованием измерений зонда Френеля. 1972 год. Hansen et al., Метод и устройство для определения диаграмм направленности антенны ближнего поля. 1975 год. Wolff et al., Метод и устройство для определения близости объекта, основанное на эффектах ближнего поля.