電磁場近場和遠場的（de）差別

無線電（diàn）波應該稱作電磁波或（huò）者（zhě）簡（jiǎn）稱為EM波，因為無線電波包含電場（chǎng）和磁場。來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場，天線是信號到自由空間的轉換器和接口。

因此，電磁場的特性變化取決於與天線的距離（lí）。可變的電磁場經常劃分為兩部分——近場和遠場。要（yào）清楚了解二者的區別，就必須了解無線電波的傳播。

圖1展示了（le）典（diǎn）型的半波偶極子天線是（shì）如何產生電場和磁場的。轉發後的信號被調製為正弦波，電壓呈極性變化，因此在（zài）天線的各元件間生成了電場，極性每半（bàn）個周期變換（huàn）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（jiāo）。

（1） 圍（wéi）繞著半波偶極子的電磁場包括一個（gè）電場(a)和（hé）一個磁場(b)。電磁場均為球形且互成直（zhí）角天（tiān）線旁（páng）邊（biān）的磁（cí）場呈球形（xíng）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（xiàng）外越不明顯，特（tè）性也逐漸趨向平麵。接收天線通常接收平麵波（bō）。

雖然電磁場存在於天（tiān）線周圍，但他們會向外擴張(圖2)，超出天線以外後，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（chǎng）互（hù）相產生，這樣的“獨立"波就（jiù）是無線電波。

（2）距離天（tiān）線一定範圍內，電場和磁場基本為平麵並以直（zhí）角（jiǎo）相（xiàng）交（jiāo）。注意傳播（bō）方向和電磁場均成（chéng）直（zhí）角。在(a)圖中，傳播方（fāng）向和電（diàn）磁場線方向成正交，即垂直紙麵向內或向外。在(b)圖中，磁（cí）場線垂直（zhí）紙麵向外，如（rú）圖（tú）中圓圈所示。

對近場似（sì）乎還沒有（yǒu）正（zhèng）式的（de）定義——它（tā）取決於應用本身（shēn）和天線。通常，近場是指從天線開始到1個波長(λ)的距離。波（bō）長單位為（wéi）米（mǐ），公式如下：
λ = 300/fMHz
λ = 300/fMHz
因此，從天線到（dào）近場的距離計算方法如下：
λ/2π = 0.159λ
λ/2π = 0.159λ
圖3標（biāo）出了輻射出的正弦波和近場（chǎng）、遠場。近場通常（cháng）分為兩個區域，反（fǎn）應區和輻射區（qū）。在反（fǎn）應區裏，電場和磁場是最（）強的，並且可以單獨測量。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（chǎng），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（de）波長如（rú）圖所示。天線（xiàn）應位於正弦波（bō）左側起始的位置。

輻射區內，電磁場開始輻射，標誌著遠場的開始。場的強度和（hé）天線的（de）距離成反比（bǐ）(1/ r3)

圖3所示（shì）的過渡區是（shì）指近場和遠場之間的部分（fèn）(有些模型沒有定義過渡區)。圖中，遠場開始（shǐ）於距離為2λ的地（dì）方。

和近（jìn）場類似，遠場的起始也沒有統一（yī）的定義。有認為（wéi）是2 λ，有堅持說是距離天線3 λ或10 λ以（yǐ）外。還有一種說法是5λ/2π，另有人認為應該根據天線的最大（dà）尺寸D，距離為 50D2/λ。

還（hái）有人認為近場遠場的交界始於2D2/λ。也有人說遠（yuǎn）場起（qǐ）始於近場消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

遠場是真正的無線電波。它（tā）在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬英（yīng）裏/秒的速（sù）度傳（chuán）播，相（xiàng）當於光速（sù）。電場和磁場互相支持並互相產生（shēng），信號強（qiáng）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（nián）代末，在（zài）無線電波發明之前，蘇格蘭物理學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（wéi）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，製定了一套方（fāng）程表達（dá）電磁場是如何相互（hù）產（chǎn）生和傳播的，並（bìng）斷（duàn）定電場和磁場互相依存、互相支持。19世紀80年代末，德國物理學家海因裏希?赫茲證明了麥克（kè）斯韋的電（diàn）磁場理（lǐ）論。

麥克斯韋創造了四個基本方程（chéng），表達電場、磁場和時間之間的（de）關（guān）係。電場隨時間推移產生移動電荷，也就是電（diàn）流（liú），從而產生磁場。另一組方式是說，變化的磁（cí）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，但你應該記得包含一些不同的方程。

遠（yuǎn）場在空間中傳播的（de）強度變化由Friis公（gōng）式決定：
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中，Pr =接收功率（lǜ）；Pt =發射功率；Gr = 接收天線增益(功（gōng）率比)；Gt =發射天線增益（yì）(功率比)；r=到（dào）天線的（de）距離。公式在視線所及的無障礙開闊空間中適（shì）用（yòng）。

這裏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（píng）方成正比，也（yě）就是說，波長較長、頻率較低的電磁波傳的更遠。例如，同（tóng）等的功率和（hé）天線增益下，900MHz的信號（hào）會比2.4GHz的信（xìn）號傳播（bō）得（dé）更遠。這一公式也常常用它來（lái）分析（xī）現代無線應用的信號強度。

為了準確（què）測量信號的傳播，還（hái）必須了解天（tiān）線在遠場的（de）輻射模（mó）式。在近場的反應區裏，接收天線（xiàn）可（kě）能會和發射天線會由於電容和（hé）電感的耦合作用互相幹擾，造成（chéng）錯（cuò）誤的結果。另一方麵，如果有特定的測量（liàng）儀器，近場的輻射模（mó）式就可以準確測量（liàng）。

近場（chǎng）在通信（xìn）領（lǐng）域也很有用。近（jìn）場模式可以（yǐ）用於射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。

RFID是條形碼的電子版，它是一個（gè）內部（bù）有芯片的很薄的標簽，其中芯片集成了存儲和特定的電子（zǐ）代碼，可以用作識別、最總或其他（tā）用途。標簽還包含一個被動收發器，在接近“閱讀器"的時（shí）候，由閱讀（dú）器發出的很強的RF信號就（jiù）會被標簽（qiān）識別。閱讀器和標簽的天線（xiàn）都（dōu）是環形天線，相當於變壓器的初級和（hé）次級。

由標簽識（shí）別的信（xìn）號經過整流濾波轉換（huàn）成直流，為標簽存儲和轉發供（gòng）能。發射器將代碼發送（sòng）到閱讀器上，用於識別（bié）和處理（lǐ）。主（zhǔ）動標（biāo）簽有時會用到（dào）電池，將感應距（jù）離延長到近場以外的地（dì）方。RIFD標簽的頻（pín）率範圍各不相同（tóng），有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz，波長為：
λ = 300/fMHz
λ = 300/fMHz
λ = 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm
λ = 300/900 = 0.333 米或 33.33 cm

因此根據近場距（jù）離計算公式：
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 米 (約2英（yīng）寸)

感應距離通常超過這一數字，所以這一頻率下距離實際上也（yě）延伸到了遠場。

NFC也采用了存儲和（hé）類似於信（）用卡的特定代（dài）碼（mǎ）。電池驅動（dòng）的內部轉發器可以把代碼發射到閱讀器上。NFC也使用近（jìn）場，範圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長為：
λ = 300/fMHz
λ = 300/fMHz
300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet
300/13.56 = 22.1 米或 72.6 英尺

近（jìn）場距（jù）離為不超（chāo）過：
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

因（yīn）為電量消耗低，實（shí）際的感應距離很少超過1英尺。

NFC是部署“電子錢包"所使用的技術。通過電子錢包，消（）費者可以無需（xū）信（）用（yòng）卡（kǎ），而用支（zhī）持NFC的智能手機進行付款。