Антенна ближнего и дальнего поля

Когда радиоантенна возбуждается электрическим сигналом, генерируются поля двух различных типов: ближнее поле и дальнее поле.

Сигналы, подаваемые на антенну, будут генерировать поле, связанное с сигналом. Эти поля представляют собой электрические поля, связанные с потенциалом на антенне, и магнитные, связанные с протекающим в ней током. Однако характеристики этих полей меняются с расстоянием от антенны, и соответственно они называются ближним полем и дальним полем. Ближнее поле и дальнее поле имеют разные характеристики, поэтому при работе с антеннами и любых измерениях необходимо понимать различия между ними.

Эти два поля реагируют по-разному, поэтому важно понимать разницу между ближним и дальним полем антенны и понимать, что это может означать на практике. Понимание того, как эти поля реагируют, а также их свойства и их взаимосвязь с антенной, значительно помогает понять их работу для всего, от приема до радиовещания, радиосвязи, мобильной связи, измерений электромагнитной совместимости и многого другого.

Антенны и связанные поля

Глядя на антенны ближнего и дальнего поля и их различия, в первую очередь необходимо увидеть, как возникают разные поля и что они из себя представляют. Когда радиочастотный сигнал подается на антенну любой формы, создаются электрические и магнитные поля. Элемент напряжения сигнала, подаваемого на антенну, создает электрическое поле (часто обозначаемое как поле Е). Но в проводнике антенны также течет ток, и этот ток создает магнитное поле (часто обозначаемое как Н-поле). Это именно то, что можно было бы ожидать от базового понимания воздействия потенциала на провод и протекающего по нему тока. Однако электрические и магнитные поля взаимодействуют друг с другом, образуя электромагнитное поле, связанное с антенной. Рассмотрев эти поля более подробно, мы обнаружим, что локальные поля E и H нарастают и текут с частотой напряжения и тока в антенне.

Фактически обнаружено, что ближние поля в непосредственной близости от антенны сдвинуты по фазе друг с другом на 90 градусов, и в результате чистая передача энергии в результате этих полей равна нулю. Также эти поля относительно быстро затухают по мере удаления от антенны. Однако эти локальные поля E и H становятся более важными по мере удаления от антенны. Эти поля порождают другую форму поля. Они создают новые синфазные поля E и H, которые представляют собой электромагнитные или, в данном случае, радиоволны, распространяющиеся дальше от антенны.

Поскольку электронное (E) поле и магнитное (H) поле для электромагнитной волны синфазны, эта форма волны несет с собой энергию. Кроме того, поскольку поля E и H находятся в фазе и несут мощность, электромагнитная волна распространяется от антенны и затухает гораздо медленнее, чем исходные поля E и H, которые существуют вблизи антенны.

Ближние и дальние поля

Видно, что основные электрические и магнитные поля существуют вблизи антенны и быстро затухают по мере удаления от антенны. Кроме того, электромагнитная волна распространяется намного дальше от антенны, затухая медленнее. Соответственно, часто упоминаются различные регионы, в которых доминируют разные поля, и т. д. Ситуация усложняется тем, что определения этих областей иногда различаются в зависимости от конкретного приложения, а также антенны, которые можно назвать «короткими» антеннами, также ведут себя немного по-разному. Таким образом, в некоторых областях могут использоваться разные определения и подходы.

цель здесь состоит в том, чтобы дать обзор, на котором могут быть основаны дальнейшие исследования и понимание.

• Ближнее поле: Как и следовало ожидать, область ближнего поля антенны — это область, расположенная рядом с антенной. Его также можно назвать реактивной областью ближнего поля.В этой области преобладают электрические и магнитные поля, генерируемые потенциалом и током. Как уже упоминалось, эти поля не совпадают по фазе на 90° друг с другом.
• Переходная область: это область между областями ближнего и дальнего поля, где не преобладает ни один из типов поля и существует переход от одного к другому. Его также можно назвать излучающей областью ближнего поля.
• Дальнее поле: как следует из названия, область дальнего поля — это область за пределами переходной области, где локальные электрические и магнитные поля затухают до такой степени, что ими можно пренебречь, и ими можно пренебречь, а электромагнитная волна доминирует и является единственной обнаруживаемой формой. поля.

Зона ближнего поля антенны

Как следует из названия, область ближнего поля находится ближе всего к антенне, и ее можно назвать областью ближнего поля или реактивной областью ближнего поля. Именно в этой области преобладают электрическое и магнитное поля, а также она характеризуется тем, что электрическое и магнитное поля смещены друг от друга на 90°. Это превращает поле в реактивное, так как отсутствует сопротивление, передача или потеря мощности. Излучательное свойство электромагнитных полей в реактивной ближней зоне сравнительно меньше, хотя и существует.

Электрические и магнитные поля наиболее сильны в реактивных полях, и возможны отдельные измерения электрических и магнитных полей по отдельности. Однако, в зависимости от типа антенны, одно поле преобладает над другим в ближней зоне. Например, для рамочной антенны в этой области преобладает магнитное поле — фактор, о котором следует помнить при использовании рамочной антенны.

Существует несколько определений того, насколько далеко простирается реактивное ближнее поле, в зависимости от приложения, антенны и т.п. Часто уравнение для протяженности области ближнего поля определяется как:

Стоит помнить, что в ближней зоне связь с проводящими конструкциями, такими как линии электропередач, внутренняя сантехника, металлические дренажные трубы и т.п., будет намного сильнее, чем в дальней зоне. Это может привести не только к изменению импеданса облучателя и диаграммы направленности антенны, но также может привести к значительному увеличению уровня помех. Это одна из причин, почему всегда лучше использовать внешние антенны, которые могут быть расположены на удалении от проводящих объектов, которые могут вызвать нежелательные эффекты. Это также может помочь понять это при проведении измерений ЭМС, поскольку разные поля реагируют по-разному и приводят к различным формам проблем с ЭМС.

Зона перехода антенны

По мере удаления от зоны реактивного ближнего поля происходит переход от преобладания реактивного характера отдельных электрического и магнитного полей к излучательному характеру дальнего поля. Здесь происходит переход к электромагнитному полю, где смещение между электрическим и магнитным полями равно нулю, и, следовательно, оно способно нести энергию и двигаться дальше. Эту переходную область можно также назвать областью излучающего ближнего поля или областью Френеля. Область может быть математически обозначена как существующая в следующей области.

Зона дальней зоны антенны

Область дальнего поля также называется областью Фраунгофера, и это область, наиболее удаленная от антенны за пределами переходной области. В этом регионе преобладают излучаемые электромагнитные поля, электрические и магнитные поля упали до пренебрежимо малого уровня. Эта внутренняя граница этой области может быть математически выражена в виде уравнения или формулы следующим образом:

Иногда это можно рассматривать как уравнение дальнего поля антенны, поскольку оно допускает то, что можно рассматривать как начало области, где можно с уверенностью предположить, что существует только эффект дальнего поля от антенны. Именно в дальней зоне можно измерить диаграмму направленности антенны, поскольку она в значительной степени не зависит от расстояния до антенны. Излучение следует обычной схеме 1/d ², но на достаточном расстоянии любые незначительные изменения не будут значительными при вращении антенны. Если необходимо рассчитать напряженность полей в этой области, то используется формула, известная как формула Фрииса. Понимание важности ближнего и дальнего поля для работы антенны дает гораздо лучшее понимание работы антенн, особенно когда они используются для измерений или когда близлежащие объекты могут влиять на их работу для приема, вещания, двусторонней радиосвязи. связь, мобильная связь, измерения электромагнитной совместимости и т. д. Аспекты их работы в ближней и дальней зоне могут иметь большое влияние на то, как они работают, и на их эффективность в конкретной ситуации.