快速了解天線的近場遠場的差別

圖1展示了典型的半波偶極子天線是如何產生電場和磁場的。轉發后的信號被調制為正弦波，電壓呈極性變化，因此在天線的各元件間生成了電場，極性每半個周期變換一次。天線元件的電流產生磁場，方向每半個周期變換一次。電磁場互為直角正交。

1.圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個電場(a)和一個磁場(b)。電磁場均為球形且互成直角。

天線旁邊的磁場呈球形或弧形，特別是距離天線近的磁場。這些電磁場從天線向外發出，越向外越不明顯，特性也逐漸趨向平面。接收天線通常接收平面波。

雖然電磁場存在于天線周圍，但他們會向外擴張(圖2)，超出天線以外后，電磁場就會自動脫離為能量包獨立傳播出去。實際上電場和磁場互相產生，這樣的“獨立”波就是無線電波。

2. 距離天線一定范圍內，電場和磁場基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場均成直角。在(a)圖中，傳播方向和電磁場線方向成正交，即垂直紙面向內或向外。在(b)圖中，磁場線垂直紙面向外，如圖中圓圈所示。

對近場似乎還沒有正式的定義--它取決于應用本身和天線。通常，近場是指從天線開始到1個波長(λ)的距離。波長單位為米，公式如下：

λ= 300/fMHz
λ= 300/fMHz

因此，從天線到近場的距離計算方法如下：

λ/2π = 0.159λ
λ/2π = 0.159λ

圖3標出了輻射出的正弦波和近場、遠場。近場通常分為兩個區域，反應區和輻射區。在反應區里，電場和磁場是最強的，并且可以單獨測量。根據天線的種類，某一種場會成為主導。例如環形天線主要是磁場，環形天線就如同變壓器的初級，因為它產生的磁場很大。

3.近場和遠場的邊界、運行頻段的波長如圖所示。天線應位于正弦波左側起始的位置。

輻射區內，電磁場開始輻射，標志著遠場的開始。場的強度和天線的距離成反比(1/ r3)。

圖3所示的過渡區是指近場和遠場之間的部分(有些模型沒有定義過渡區)。圖中，遠場開始于距離為2λ的地方。

和近場類似，遠場的起始也沒有統一的定義。有認為是2 λ，有堅持說是距離天線3 λ或10 λ以外。還有一種說法是5λ/2π，另有人認為應該根據天線的最大尺寸D，距離為50D2/λ。

還有人認為近場遠場的交界始于2D2/λ。也有人說遠場起始于近場消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

遠場是真正的無線電波。它在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬英里/秒的速度傳播，相當于光速。電場和磁場互相支持并互相產生，信號強度和距離平方成反比(1/r2)。麥克斯韋在其著名的公式中描述了這一現象。

19世紀70年代末，在無線電波發明之前，蘇格蘭物理學家麥克斯韋預測出了電磁波的存在。他綜合了安培、法拉第和歐姆等人的定律，制定了一套方程表達電磁場是如何相互產生和傳播的，并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。

麥克斯韋創造了四個基本方程，表達電場、磁場和時間之間的關系。電場隨時間推移產生移動電荷，也就是電流，從而產生磁場。另一組方式是說，變化的磁場可以產生電場。天線發出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒有列出這些方程組，但你應該記得。

遠場在空間中傳播的強度變化由Friis公式決定：

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中，Pr =接收功率；Pt =發射功率；Gr = 接收天線增益(功率比)；Gt =發射天線增益(功率比)；r=到天線的距離。公式在視線所及的無障礙開闊空間中適用。

這里有兩個問題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比，和波長的平方成正比，也就是說，波長較長、頻率較低的電磁波傳的更遠。例如，同等的功率和天線增益下，900MHz的信號會比2.4GHz的信號傳播得更遠。這一公式也常常用它來分析現代無線應用的信號強度。

為了準確測量信號的傳播，還必須了解天線在遠場的輻射模式。在近場的反應區里，接收天線可能會和發射天線會由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。另一方面，如果有特定的測量儀器，近場的輻射模式就可以準確測量。

近場在通信領域也很有用。近場模式可以用于射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。GPS天線廠家