Nær og fjernt felt - Near and far field

Forskelle mellem Fraunhofer -diffraktion og Fresnel -diffraktion

Den nærfelt og langt område er områder af elektromagnetiske felt (EM) omkring et objekt, såsom en transmitterende antenne , eller resultatet af strålingsspredning af en genstand. Ikke-radiative nærfelts adfærd dominerer tæt på antennen eller spredning objekt, mens elektromagnetisk stråling fjernfeltkilder adfærd dominerer på større afstande.

Fjernfelt E (elektrisk) og B (magnetisk) feltstyrke falder, når afstanden fra kilden øges, hvilket resulterer i en invers-kvadratisk lov for den udstrålede effektintensitet af elektromagnetisk stråling . I modsætning hertil falder nærfeltets E- og B-styrke hurtigere med afstanden: strålingsfeltet falder med den inverse-afstands kvadrat, det reaktive felt med en invers kubisk lov, hvilket resulterer i en formindsket effekt i dele af det elektriske felt med en henholdsvis omvendt fjerde-magt og sjette-magt. Det hurtige effektfald i nærfeltet sikrer, at effekter på grund af nærfeltet i det væsentlige forsvinder et par bølgelængder væk fra den udstrålende del af antennen.

Resumé af regioner og deres interaktioner

Nærfelt: Dette dipolmønster viser et magnetfelt i rødt. Den potentielle energi, der midlertidigt er lagret i dette magnetfelt, er tegn på det reaktive nærfelt.

{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ mathbf {B}}}}

Fjernfelt: Strålingsmønsteret kan strække sig ind i det fjerne felt, hvor den reaktive lagrede energi ikke har nogen signifikant tilstedeværelse.

Fjernfeltet er det område, hvor feltet fungerer som "normal" elektromagnetisk stråling . I denne region domineres den af elektriske eller magnetiske felter med elektriske dipolkarakteristika . Nærfeltet er underlagt multipol typen felter , som kan betragtes som samlinger af dipoler med en fast faseforhold . Grænsen mellem de to regioner er kun vagt defineret, og den afhænger af den dominerende bølgelængde ( $λ$ ), der udsendes af kilden og størrelsen af det strålende element.

I fjernfeltområdet på en antenne falder den udstrålede effekt som kvadratet af afstanden , og absorptionen af strålingen kommer ikke tilbage til senderen. I nærfeltområdet påvirker absorptionen af stråling imidlertid belastningen på senderen. Magnetisk induktion set i en transformer kan ses som et meget enkelt eksempel på denne type nærfelt elektromagnetisk interaktion.

I fjernfeltområdet er hver del af EM-feltet (elektrisk og magnetisk) "produceret af" (eller forbundet med) en ændring i den anden del, og forholdet mellem elektriske og magnetiske feltintensiteter er simpelthen bølgeimpedansen . I nærfeltområdet kan de elektriske og magnetiske felter imidlertid eksistere uafhængigt af hinanden, og den ene felttype kan dominere den anden.

I en normalt fungerende antenne har positive og negative ladninger ingen måde at forlade og adskilles fra hinanden af excitationssignalet (en sender eller et andet EM-spændingspotentiale). Dette genererer en oscillerende (eller reverserende) elektrisk dipol, som påvirker både nærfeltet og fjernfeltet. Generelt er formålet med antenner er at kommunikere trådløst til lange afstande ved hjælp langt felter, og det er deres vigtigste region i drift (dog visse antenner specialiserede til nær-felt kommunikation eksisterer).

Også kendt som strålingszonefeltet bærer fjernfeltet et relativt ensartet bølgemønster. Strålingszonen er vigtig, fordi langt felter generelt falder af i amplitude med . Det betyder, at den samlede energi pr. Arealenhed i en afstand $r$ er proportional med . Kuglens areal er proportional med , så den samlede energi, der passerer gennem kuglen, er konstant. Det betyder, at fjernfeltsenergien rent faktisk undslipper til uendelig afstand (den stråler ). ${\ displaystyle 1/r}$ ${\ displaystyle 1/r^{2}}$ ${\ displaystyle r^{2}}$

I modsætning hertil refererer nærfeltet til områder såsom nærledere og inde i polariserbare medier, hvor udbredelsen af elektromagnetiske bølger forstyrres. Et let overskueligt eksempel er ændringen af støjniveauet, der optages af et sæt kaninøre- antenner, når man placerer en kropsdel tæt på. Nærfeltet har været af stigende interesse, især i udviklingen af kapacitive sanseteknologier som dem, der bruges på touchskærmene på smartphones og tabletcomputere.

Interaktionen med mediet (f.eks. Kropskapacitans) kan få energi til at bøje tilbage til kilden, som det sker i det reaktive nærfelt. Eller interaktionen med mediet kan undlade at returnere energi tilbage til kilden, men forårsage en forvrængning i den elektromagnetiske bølge, der afviger væsentligt fra den, der findes i ledigt rum, og dette angiver det strålende nærfeltområde , som er noget længere væk. En anden mellemregion, kaldet overgangszonen , er defineret på et noget andet grundlag, nemlig antennegeometri og excitationsbølgelængde.

Definitioner

Adskillelsen af de elektriske og magnetiske felter i komponenter er matematisk, snarere end klart fysisk, og er baseret på de relative hastigheder, hvormed amplituden af dele af de elektriske og magnetiske felter falder, efterhånden som afstanden fra det strålende element stiger. Amplituderne for fjernfeltkomponenterne falder som , de strålende nærfeltamplituder falder som , og de reaktive nærfeltamplituder falder som . Definitioner af regionerne forsøger at karakterisere steder, hvor aktiviteten af de tilknyttede feltkomponenter er den stærkeste. Matematisk er sondringen mellem feltkomponenter meget klar, men afgrænsningen af de rumlige feltområder er subjektiv. Alle felterne overlapper overalt, så for eksempel er der altid betydelige fjernfelt- og nærfeltstrålingskomponenter i den reaktive region, der er nærmest i nærheden. ${\ displaystyle 1/r}$ ${\ displaystyle 1/r^{2}}$ ${\ displaystyle 1/r^{3}}$

De områder, der er defineret nedenfor, kategoriserer feltadfærd, der er variabel, selv inden for området af interesse. Således er grænserne for disse regioner omtrentlige tommelfingerregler , da der ikke er nogen præcise afgrænsninger mellem dem: Alle adfærdsændringer med afstand er glatte ændringer. Selv når præcise grænser kan defineres i nogle tilfælde, primært baseret på antennetype og antennestørrelse, kan eksperter variere i deres anvendelse af nomenklatur til at beskrive regionerne. På grund af disse nuancer skal der udvises særlig forsigtighed ved fortolkning af teknisk litteratur, der diskuterer fjerntliggende og nærfeltregioner.

Udtrykket nærfeltregion (også kendt som nærfeltet eller nærzonen ) har følgende betydninger med hensyn til forskellige telekommunikationsteknologier :

Den tætte i området af en antenne , hvor den vinkelmæssige felt fordeling er afhængig af afstanden fra antennen.
I undersøgelsen af diffraktion og antenne design, nærfeltet er den del af den udstrålede felt, der er under afstande kortere end Fraunhofer afstand , som er givet ved fra kilden til diffrakterende kant eller antenne af længdegrad eller diameter $D$ . ${\ displaystyle d _ {\ text {F}} = {\ frac {2D^{2}} {\ lambda}}}$
I optisk fiber kommunikation , området nær en kilde eller åbning , der er tættere end Rayleigh længde . (Forudsat en gaussisk stråle, som er passende til fiberoptik.)

Regioner i henhold til elektromagnetisk længde

Den mest praktiske praksis er at definere størrelsen af regionerne eller zoner i form af faste antal (brøker) af bølgelængder, der er fjernt fra midten af den udstrålende del af antennen, med den klare forståelse, at de valgte værdier kun er omtrentlige og vil være noget upassende til forskellige antenner i forskellige omgivelser. Valget af afskæringsnumre er baseret på de relative styrker af feltkomponentamplituderne, der typisk ses i almindelig praksis.

Elektromagnetisk korte antenner

Feltområder for antenner, der er lig med eller kortere end halvdelen af bølgelængden af den stråling, de udsender, såsom piskeantennen på en borgerbandsradio eller et AM-radioudsendelsestårn.

For antenner kortere end halvdelen af bølgelængden af den stråling, de udsender (dvs. elektromagnetisk "korte" antenner), måles de fjerne og nære regionale grænser i form af et simpelt forhold mellem afstanden $r$ fra den udstrålende kilde til bølgelængden $λ$ af strålingen. For en sådan antenne er nærfeltet området inden for en radius $r ≪ λ$ , mens fjernfeltet er det område, for hvilket $r ≫ 2 λ$ . Overgangszonen er regionen mellem $r = λ$ og $r = 2 λ$ .

Bemærk, at $D$ , antennens længde ikke er vigtig, og tilnærmelsen er den samme for alle kortere antenner (undertiden idealiseret som såkaldte punktantenner ). I alle sådanne antenner betyder den korte længde, at ladninger og strømme i hver undersektion af antennen til enhver tid er ens, da antennen er for kort til, at RF-transmitterens spænding kan vende, før dens virkninger på ladninger og strømme mærkes over hele antennelængden.

Elektromagnetisk lange antenner

For antenner fysisk større end en halvbølgelængde af den stråling, de udsender, er nær- og fjernfelterne defineret i forhold til Fraunhofer-afstanden . Opkaldt efter Joseph von Fraunhofer , giver følgende formel Fraunhofer afstand :

{\ displaystyle d _ {\ text {F}} \; = \; {\ frac {2D^{2}} {\ lambda}} \ ,,}

hvor

D

er den største dimension af radiatoren (eller diameteren af antennen ), og

λ

er bølgelængden af radioen bølge . En af de følgende to relationer er ækvivalente og understreger regionens størrelse med hensyn til bølgelængder

λ

eller diametre

D

:

{\ displaystyle d _ {\ tekst {F}} \; = \; 2 {\ venstre ({D \ over \ lambda} \ højre)}^{2} \ lambda \; = \; 2 {\ venstre ({D \ over \ lambda} \ right)} D}

Denne afstand giver grænsen mellem nær- og fjernfeltet. Parameteren $D$ svarer til den fysiske længde af en antenne eller diameteren af en reflektor ("skål") antenne.

At have en antenne, der er elektromagnetisk længere end halvdelen af den dominerede bølgelængde, der udsendes, forlænger nærfeltseffekterne betydeligt, især fokuserede antenner. Omvendt, når en given antenne udsender højfrekvent stråling, vil den have et nærfeltområde større end det, der ville antydes af den kortere bølgelængde.

Derudover skal en fjernfeltregionafstand $d F$ opfylde disse to betingelser.

{\ displaystyle d _ {\ text {F}} \ gg D \,}

{\ displaystyle d _ {\ text {F}} \ gg \ lambda \,}

hvor $D$ er antennens største fysiske lineære dimension og $d F$ er fjernfeltafstanden. Fjernfeltafstanden er afstanden fra den transmitterende antenne til begyndelsen af Fraunhofer-regionen eller fjernfeltet.

Overgangszone

Den overgangszonen mellem disse nære og fjerne feltområder, der strækker sig over afstanden fra et til to bølgelængder fra antennen, er det mellemliggende område, hvor både nærfelts og fjernfeltkilder effekter er vigtige. I denne region dør nærfeltadfærd ud og ophører med at være vigtig, hvilket efterlader fjernfeltseffekter som dominerende interaktioner. (Se billedet "Langt felt" ovenfor.)

Regioner i henhold til diffraktionsadfærd

$Nær- og fjernfeltområder for en antenne større (diameter eller længde D) end bølgelængden for den stråling, den udsender, så .mw-parser-output .frac {white-space: nowrap} .mw-parser-output. frac .num, .mw-parser-output .frac .den {font-size: 80%; line-height: 0; vertical-align: super} .mw-parser-output .frac .den {vertical-align: sub } .mw-parser-output .sr-only {border: 0; clip: rect (0,0,0,0); højde: 1px; margin: -1px; overløb: skjult; polstring: 0; position: absolut; bredde: 1px} D⁄λ ≫ 1. Eksempler er radarretter og andre meget retningsbestemte antenner.$

Nær- og fjernfeltområder for en antenne større (diameter eller længde

D

) end bølgelængden for den stråling, den udsender, så

.mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .frac .num,.mw-parser-output .frac .den{font-size:80%;line-height:0;vertical-align:super}.mw-parser-output .frac .den{vertical-align:sub}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px} D ⁄ λ ≫ 1

. Eksempler er radarretter, parabolantenner, radioteleskoper og andre meget retningsbestemte antenner.

Langfeltdiffraktion

For så vidt angår akustiske bølgekilder, hvis kilden har en maksimal samlet dimension eller blændebredde ( $D$ ), der er stor i forhold til bølgelængden $λ$ , anses fjerntfeltsområdet sædvanligvis for at eksistere på afstande, når Fresnel-parameteren er større end 1: ${\ displaystyle S}$

{\ displaystyle S = {4 \ lambda \ over D^{2}} r> 1, {\ text {for}} r> r _ {\ text {F}} = {D^{2} \ over 4 \ lambda }.}

For en stråle, der er fokuseret i det uendelige, betegnes fjernfeltregionen undertiden som Fraunhofer-regionen . Andre synonymer er fjernfelt , fjernsone og strålingsfelt . Alle elektromagnetisk stråling består af en elektrisk felt -komponent $E$ og et magnetfelt komponent $H$ . I det fjerne felt er forholdet mellem den elektriske feltkomponent $E$ og den magnetiske komponent $H, der$ er karakteristisk for enhver frit udbredt bølge, hvor $E$ og $H$ har lige store størrelser på ethvert punkt i rummet (målt i enheder, hvor $c$ = 1).

Near-field diffraktion

I modsætning til det fjerne felt adskiller diffraktionsmønsteret i nærfeltet sig typisk væsentligt fra det, der observeres ved uendeligt og varierer med afstanden fra kilden. I nærområdet bliver forholdet mellem $E$ og $H$ meget komplekst. I modsætning til det fjerne felt, hvor elektromagnetiske bølger normalt er karakteriseret ved en enkelt polarisationstype (vandret, lodret, cirkulært eller elliptisk), kan alle fire polarisationstyper være til stede i nærfeltet.

Nærfeltet er et område, hvor der er stærke induktive og kapacitive effekter fra strømme og ladninger i antennen, der forårsager elektromagnetiske komponenter, der ikke opfører sig som fjernfeltstråling. Disse effekter falder i effekt langt hurtigere med afstanden end fjerntstrålingseffekterne. Ikke-formerende (eller flygtige) felter slukker meget hurtigt med afstand, hvilket får deres virkninger næsten udelukkende til at føles i nærfeltområdet.

Også i den del af nærfeltet, der er tættest på antennen (kaldet det reaktive nærfelt , se nedenfor ), har absorption af elektromagnetisk effekt i området af en anden enhed virkninger, der føder tilbage til senderen, hvilket øger belastningen på senderen der fodrer antennen ved at reducere antenneimpedansen, som senderen "ser". Således kan senderen fornemme, når strøm absorberes i den nærmeste nærfeltzone (af en anden antenne eller et andet objekt) og er tvunget til at levere ekstra strøm til sin antenne og til at trække ekstra strøm fra sin egen strømforsyning, hvorimod hvis der ikke absorberes strøm der, behøver senderen ikke at levere ekstra strøm.

Karakterer ved nærfelt

Forskelle mellem Fraunhofer -diffraktion og Fresnel -diffraktion .

Selve nærfeltet er yderligere opdelt i det reaktive nærfelt og det strålende nærfelt. De reaktive og strålende nærfeltbetegnelser er også en funktion af bølgelængde (eller afstand). Disse grænseområder er imidlertid en brøkdel af en bølgelængde inden for nærfeltet. Den ydre grænse for det reaktive $nærfeltområde$ anses almindeligvis for at være en afstand af gange bølgelængden (dvs. eller cirka $0,159λ$ ) fra antenneoverfladen. Det reaktive nærfelt kaldes også det induktive nærfelt. Det strålende nærfelt (også kaldet Fresnel-regionen ) dækker resten af nærfeltområdet, fra ud til Fraunhofer-afstanden. ${\ textstyle {\ frac {1} {2 \ pi}}}$ ${\ textstyle {\ frac {\ lambda} {2 \ pi}}}$ ${\ textstyle {\ frac {\ lambda} {2 \ pi}}}$

Reaktiv nær felt eller den nærmeste del af nærfeltet

I det reaktive nærfelt (meget tæt på antennen) er forholdet mellem $E-$ og $H$ -felternes styrker ofte for kompliceret til let at forudsige og svært at måle. Hver feltkomponent ( $E$ eller $H$ ) kan dominere på et tidspunkt, og det modsatte forhold dominerer på et punkt kun en kort afstand væk. Dette gør det problematisk at finde den sande effekttæthed i denne region. Dette skyldes, at for at beregne effekt skal ikke kun $E$ og $H$ begge måles, men faseforholdet mellem $E$ og $H$ samt vinklen mellem de to vektorer skal også være kendt i hvert punkt i rummet.

I dette reaktive område udsendes ikke kun en elektromagnetisk bølge udad i det fjerne rum, men der er en reaktiv komponent til det elektromagnetiske felt, hvilket betyder, at feltets beskaffenhed omkring antennen er følsom over for EM -absorption i dette område og reagerer på det. I modsætning hertil er dette ikke sandt for absorption langt fra antennen, hvilket har ubetydelig effekt på senderen eller antennen nær feltet.

Meget tæt på antennen, i det reaktive område, holdes energi af en vis mængde, hvis den ikke absorberes af en modtager, tilbage og opbevares meget nær antenneoverfladen. Denne energi føres frem og tilbage fra antennen til det reaktive nærfelt ved hjælp af elektromagnetisk stråling af den type, der langsomt ændrer elektrostatiske og magnetostatiske effekter. For eksempel skaber strøm, der strømmer i antennen, en rent magnetisk komponent i nærfeltet, som derefter kollapser, når antennestrømmen begynder at vende, hvilket forårsager overførsel af feltets magnetiske energi tilbage til elektroner i antennen, da det skiftende magnetfelt forårsager et selv -induktiv effekt på antennen, der genererede den. Dette returnerer energi til antennen på en regenerativ måde, så den ikke går tabt. En lignende proces sker, da elektrisk ladning opbygges i en sektion af antennen under signalets spænding og forårsager et lokalt elektrisk felt omkring den del af antennen på grund af antennens selvkapacitans . Når signalet vender, så ladning får lov til at strømme væk fra dette område igen, hjælper det opbyggede elektriske felt med at skubbe elektroner tilbage i deres nye strømningsretning, som ved afladning af enhver unipolar kondensator. Dette overfører igen energi tilbage til antennestrømmen.

På grund af denne energilagring og retureffekt, hvis en af de induktive eller elektrostatiske virkninger i det reaktive nærfelt overfører en hvilken som helst feltenergi til elektroner i en anden (nærliggende) leder, går denne energi tabt til den primære antenne. Når dette sker, ses et ekstra dræn på senderen som følge af den reaktive nærfeltsenergi, der ikke returneres. Denne effekt viser sig som en anden impedans i antennen, set af senderen.

Den reaktive komponent i nærfeltet kan give tvetydige eller ubestemte resultater ved forsøg på målinger i dette område. I andre regioner er effekttætheden omvendt proportional med kvadratet af afstanden fra antennen. I nærheden meget tæt på antennen kan energiniveauet imidlertid stige dramatisk med kun et lille fald i afstanden mod antennen. Denne energi kan påvirke både mennesker og måleudstyr negativt på grund af de involverede høje kræfter.

Strålende nærfelt (Fresnel -regionen) eller den fjerneste del af nærfeltet

Det strålende nærfelt (undertiden kaldet Fresnel-regionen ) indeholder ikke reaktive feltkomponenter fra kildeantennen, da det er langt nok fra antennen, at tilbagekobling af felterne bliver ude af fase med antennesignalet og dermed ikke effektivt kan returnere induktiv eller kapacitiv energi fra antennestrømme eller ladninger. Energien i det strålende nærfelt er således al strålingsenergi , selvom dens blanding af magnetiske og elektriske komponenter stadig er forskellig fra det fjerne felt. Længere ude i det strålende nærfelt (en halv bølgelængde til 1 bølgelængde fra kilden) er $E-$ og $H$ -feltforholdet mere forudsigeligt, men $E$ til $H$ -forholdet er stadig komplekst. Da det strålende nærfelt stadig er en del af nærfeltet, er der imidlertid potentiale for uventede (eller ugunstige) forhold.

For eksempel kan metalgenstande såsom stålbjælker fungere som antenner ved induktivt at modtage og derefter "genstråle" noget af energien i det strålende nærfelt og danne en ny udstrålende overflade at overveje. Afhængig af antennekarakteristika og frekvenser kan en sådan kobling være langt mere effektiv end simpel antennemodtagelse i det endnu mere fjerntliggende felt, så der kan overføres mere strøm til den sekundære "antenne" i denne region, end det ville være tilfældet med en fjernere antenne. Når en sekundær strålende antenneoverflade således aktiveres, skaber den derefter sine egne nærfeltområder, men de samme betingelser gælder for dem.

Sammenlignet med det fjerne felt

Nærfeltet er bemærkelsesværdigt for gengivelse af klassisk elektromagnetisk induktion og elektrisk ladningseffekter på EM-feltet, hvilket påvirker "uddør" med stigende afstand fra antennen: Magnetfeltkomponenten, der er i fasekvadratur til elektriske felter, er proportional med den inverse- terning af afstanden ( ) og elektrisk feltstyrke proportional med invers-kvadrat af afstanden ( ). Dette fald er langt hurtigere end det klassiske udstrålede fjernfelt ( $E-$ og $B-$ felter, der er proportionale med den simple inverse-afstand ( ). Typisk er nærfeltseffekter ikke vigtige længere væk end nogle få bølgelængder af antennen . ${\ displaystyle 1/r^{3}}$ ${\ displaystyle 1/r^{2}}$ ${\ displaystyle 1/r}$

Mere fjerne nærfeltseffekter involverer også energioverførselseffekter, der kobles direkte til modtagere i nærheden af antennen, hvilket påvirker senderens effekt, hvis de kobler, men ikke på anden måde. På en måde tilbyder nærfeltet energi, der kun er tilgængelig for en modtager , hvis energien tappes, og dette registreres af senderen ved hjælp af at reagere på elektromagnetiske nærfelter, der kommer fra modtageren. Igen er dette det samme princip, der gælder for induktionskoblede enheder, såsom en transformer , som trækker mere strøm ved det primære kredsløb, hvis der trækkes strøm fra det sekundære kredsløb. Dette er anderledes med fjernfeltet, som konstant trækker den samme energi fra senderen, uanset om den straks modtages eller ej.

Amplituden af andre komponenter (ikke-strålende/ikke-dipol) i det elektromagnetiske felt tæt på antennen kan være ret kraftig, men på grund af hurtigere nedfald med afstand end adfærd udstråler de ikke energi til uendelige afstande. I stedet forbliver deres energier fanget i området nær antennen og trækker ikke strøm fra senderen, medmindre de ophidser en modtager i området tæt på antennen. Således overfører nærfelterne kun energi til meget nærliggende modtagere, og når de gør det, føles resultatet som en ekstra effektstrækning i senderen. Som et eksempel på en sådan effekt overføres strøm over rummet i en fælles transformer eller metaldetektor ved hjælp af nærfeltfænomener (i dette tilfælde induktiv kobling ), i en strengt kort rækkevidde (dvs. intervallet inden for en bølgelængde af signalet). ${\ displaystyle 1/r}$

Klassisk EM -modellering

Et " strålingsmønster " for en antenne, der per definition kun viser det fjerne felt.

Løsning af Maxwells ligninger for de elektriske og magnetiske felter for en lokaliseret oscillerende kilde, såsom en antenne, omgivet af et homogent materiale (typisk vakuum eller luft ), giver felter, der langt væk henfalder i forhold til hvor $r$ er afstanden fra kilde. Disse er de udstrålende felter, og regionen, hvor $r$ er stor nok til, at disse felter kan dominere, er det fjerne felt. ${\ displaystyle 1/r}$

Generelt kan felterne i en kilde i et homogent isotropisk medium skrives som en multipoludvidelse . Termerne i denne ekspansion er sfæriske harmoniske (som giver vinkelafhængigheden) ganget med sfæriske Bessel -funktioner (som giver den radiale afhængighed). For store $r$ forfalder den sfæriske Bessel -funktioner som , hvilket giver det udstrålede felt ovenfor. Efterhånden som man kommer tættere og tættere på kilden (mindre $r$ ) og nærmer sig nærfeltet, bliver andre beføjelser i $r$ betydelige. ${\ displaystyle 1/r}$

Det næste udtryk, der bliver signifikant, er proportional med og kaldes undertiden induktionsterm . Det kan betragtes som den primært magnetiske energi, der er lagret i feltet, og returneres til antennen i hver halve cyklus gennem selvinduktion. For endnu mindre $r$ , udtryk, der er proportionelle til at blive signifikante; dette kaldes undertiden det elektrostatiske feltudtryk og kan tænkes at stamme fra den elektriske ladning i antenneelementet. ${\ displaystyle 1/r^{2}}$ ${\ displaystyle 1/r^{3}}$

Meget tæt på kilden er multipoludvidelsen mindre nyttig (der kræves for mange udtryk for en nøjagtig beskrivelse af felterne). Snarere er det i nærområdet undertiden nyttigt at udtrykke bidragene som en sum af udstrålende felter kombineret med flygtige felter , hvor sidstnævnte eksponentielt henfalder med $r$ . Og i selve kilden, eller så snart man kommer ind i et område med inhomogene materialer, er multipoludvidelsen ikke længere gyldig, og den fulde løsning af Maxwells ligninger er generelt påkrævet.

Antenner

Hvis en oscillerende elektrisk strøm påføres en ledende struktur af en eller anden type, vil elektriske og magnetiske felter dukke op i rummet omkring denne struktur. Hvis disse felter går tabt for en formerende rumbølge, betegnes strukturen ofte som en antenne. En sådan antenne kan være en samling af ledere i rummet, der er typiske for radioenheder , eller det kan være en åbning med en given strømfordeling, der stråler ud i rummet, som det er typisk for mikrobølge- eller optiske enheder . De faktiske værdier for felterne i rummet omkring antennen er normalt ret komplekse og kan variere med afstanden til antennen på forskellige måder.

I mange praktiske anvendelser er man imidlertid kun interesseret i effekter, hvor afstanden fra antennen til observatøren er meget meget større end den største dimension af sendeantennen. Ligningerne, der beskriver felterne, der er oprettet omkring antennen, kan forenkles ved at antage en stor adskillelse og droppe alle termer, der kun giver mindre bidrag til det sidste felt. Disse forenklede fordelinger er blevet betegnet "det fjerne felt" og har normalt den egenskab, at vinkelfordelingen af energi ikke ændres med afstanden, selvom energiniveauerne stadig varierer med afstand og tid. En sådan vinkel energifordeling betegnes sædvanligvis et antennemønster .

Bemærk, at ved gensidighedsprincippet er det mønster, der observeres, når en bestemt antenne sender, identisk med det mønster, der måles, når den samme antenne bruges til modtagelse. Typisk finder man simple relationer, der beskriver antennens fjernfeltmønstre, der ofte involverer trigonometriske funktioner eller i værste fald Fourier- eller Hankel-transformationsforhold mellem antennestrømfordelingerne og de observerede fjernfeltmønstre. Selvom fjernfeltforenklinger er meget nyttige i tekniske beregninger, betyder det ikke, at nærfeltfunktionerne ikke kan beregnes, især ved hjælp af moderne computerteknikker. En undersøgelse af, hvordan de nærmeste felter dannes omkring en antennestruktur, kan give stor indsigt i driften af sådanne enheder.

Impedans

Det elektromagnetiske felt i en fjerns område af en antenne er uafhængigt af detaljerne i nærfeltet og antennens art. Bølgeimpedansen er forholdet mellem styrken af de elektriske og magnetiske felter, som i det fjerne felt er i fase med hinanden. Således er fjernfeltet " frit rums impedans " resistivt og er givet ved:

{\ displaystyle Z_ {0} \ {\ overset {\ undersæt {\ mathrm {def}} {}} {=}} \ \ mu _ {0} c_ {0} = {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {0}} {\ varepsilon _ {0}}}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} c_ {0}}}.}

Med den sædvanlige tilnærmelse til lysets hastighed i det frie rum $c 0 \approx 3,00 \times 10 8 m / s$ giver dette det ofte anvendte udtryk:

{\ displaystyle Z_ {0} \ ca. 119,92 \ pi \ {\ tekst {Ω}} \ ca. 120 \ pi \ {\ tekst {Ω}} \ ca. 377 \ {\ tekst {Ω}}}

Det elektromagnetiske felt i nærfeltområdet på en elektrisk lille spoleantenne er overvejende magnetisk. For små værdier af r / λ er impedansen for en magnetisk sløjfe lav og induktiv, ved kort rækkevidde er asymptotisk for:

{\ displaystyle | Z_ {W} | \ approx 240 \ pi ^{2} {\ frac {r} {\ lambda}} \ approx 2370 {\ frac {r} {\ lambda}}.}

Det elektromagnetiske felt i nærfeltområdet på en elektrisk kort stangantenne er overvejende elektrisk. For små værdier af r / λ er impedansen høj og kapacitiv, ved kort rækkevidde er asymptotisk for:

{\ displaystyle | Z_ {W} | \ ca. 60 {\ frac {\ lambda} {r}}.}

I begge tilfælde konvergerer bølgeimpedansen sig til det frie rum, når rækkevidden nærmer sig det fjerne felt.

Se også

Lokale effekter

Fresnel diffraktion for mere på nærområdet
Fraunhofer diffraktion for mere på det fjerne felt
Nærfeltskommunikation for mere om nærfeltskommunikationsteknologi
Nærfelt magnetisk induktionskommunikation
RFID fungerer ofte på nærfelt, men nyere typer tags sender radiobølger og fungerer dermed ved hjælp af fjernfeltet
Resonant induktiv kobling til applikationer med magnetiske enheder
Trådløs energioverførsel til nogle strømoverførselsapplikationer
Induktiv opvarmning af jernholdige metaller
MR-scanner : En maskine, der sender højeffekt-EM-signaler til patienten ved nærfeltmagnetiske effekter ved RF-frekvenser, men modtager radiobølgesignaler (EMR) tilbage fra patienten ved hjælp af fjernfelt-RF-stråling med oprindelse inde i patienten

Andet

Antennemåling dækker Far-Field Ranges (FF) og Near-Field Ranges (NF), adskilt af Fraunhofer-afstanden .
Jordbølger : En form for spredning.
Himmelbølger : Også en formeringsform.
Lov om omvendt firkant
Selvfokuserende transducere , der udnytter effekten med akustiske bølger

Noter

Referencer

Citater

Public domain

Denne artikel indeholder materiale fra det offentlige domæne fra General Services Administration -dokumentet: "Federal Standard 1037C" .(til støtte for MIL-STD-188 )

Denne artikel inkorporerer materiale fra det offentlige domæne fra websteder eller dokumenter fra den amerikanske regering . Arbejdsmiljøadministration .

Patenter

George F. Leydorf, US patent 3.278.937 , antenne nær feltkoblingssystem . 1966.
Grossi et al., US patent 3.445.844 , fanget elektromagnetisk strålingskommunikationssystem. 1969.
US patent 3.461.453 , støjreducering med dual-mode antenne. 1969.
Coffin et al., US patent 3.662.389 , bestemmelse af fjernfeltantennemønstre ved hjælp af Fresnel -sondemålinger . 1972.
Hansen et al., US patent 3,879,733 , metode og apparat til bestemmelse af nærfeltantennemønstre . 1975
Wolff et al., US patent 5,459,405 , Metode og apparat til registrering af nærhed af et objekt ved hjælp af nærfeltseffekter

Languages

In other projects