電磁場的特性變化取決于與天線的距離??勺兊碾姶艌鼋?jīng)常劃分為兩部分 —— 近場和遠(yuǎn)場。要清楚了解二者的區(qū)別,就必須了解無線電波的傳播。
無線電波應(yīng)該稱作電磁波或者簡稱為EM波,因為無線電波包含電場和磁場。來自發(fā)射器、經(jīng)由天線發(fā)出的信號會產(chǎn)生電磁場,天線是信號到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口。
電磁波
圖1
圖1展示了典型的半波偶極子天線是如何產(chǎn)生電場和磁場的。轉(zhuǎn)發(fā)后的信號被調(diào)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(chǎn)生磁場,方向每半個周期變換一次。電磁場互為直角正交。
圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個電場和一個磁場,電磁場均為球形且互成直角(如圖2所示)。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(fā)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(kuò)張,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(chǎn)生,這樣的“獨立”波就是無線電波。
圖2
距離天線一定范圍內(nèi),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。在圖2(a)中,傳播方向和電磁場線方向成正交,即垂直紙面向內(nèi)或向外。在圖2(b)中,磁場線垂直紙面向外,如圖中圓圈所示。
近場
對近場似乎還沒有正式的定義,它取決于應(yīng)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
因此,從天線到近場的距離計算方法如下:
λ/2π = 0.159λ
圖3標(biāo)出了輻射出的正弦波和近場、遠(yuǎn)場。近場通常分為兩個區(qū)域,反應(yīng)區(qū)和輻射區(qū)。在反應(yīng)區(qū)里,電場和磁場是最強(qiáng)的,并且可以單獨測量。根據(jù)天線的種類,某一種場會成為主導(dǎo)。例如環(huán)形天線主要是磁場,環(huán)形天線就如同變壓器的初級,因為它產(chǎn)生的磁場很大。
圖3
近場和遠(yuǎn)場的邊界、運(yùn)行頻段的波長如圖3所示。天線應(yīng)位于正弦波左側(cè)起始的位置。輻射區(qū)內(nèi),電磁場開始輻射,標(biāo)志著遠(yuǎn)場的開始。場的強(qiáng)度和天線的距離成反比(1/ r3)。圖3所示的過渡區(qū)是指近場和遠(yuǎn)場之間的部分(有些模型沒有定義過渡區(qū))。圖中,遠(yuǎn)場開始于距離為2λ的地方。
遠(yuǎn)場
和近場類似,遠(yuǎn)場的起始也沒有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)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(rèn)為應(yīng)該根據(jù)天線的最大尺寸D,距離為50D2/λ。還有人認(rèn)為近場遠(yuǎn)場的交界始于2D2/λ。也有人說遠(yuǎn)場起始于近場消失的地方,就是前文提到的λ/2π。
遠(yuǎn)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(dāng)于光速。電場和磁場互相支持并互相產(chǎn)生,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(xiàn)象。
麥克斯韋方程組
19世紀(jì)70年代末,在無線電波發(fā)明之前,蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋預(yù)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(dá)電磁場是如何相互產(chǎn)生和傳播的,并斷定電場和磁場互相依存、互相支持。19世紀(jì)80年代末,德國物理學(xué)家海因里希·赫茲證明了麥克斯韋的電磁場理論。
麥克斯韋創(chuàng)造了四個基本方程,表達(dá)電場、磁場和時間之間的關(guān)系。電場隨時間推移產(chǎn)生移動電荷,也就是電流,從而產(chǎn)生磁場。另一組方式是說,變化的磁場可以產(chǎn)生電場。天線發(fā)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(yīng)該記得包含一些不同的方程。
應(yīng)用
遠(yuǎn)場在空間中傳播的強(qiáng)度變化由Friis公式?jīng)Q定:
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
公式中,Pr =接收功率;Pt =發(fā)射功率;Gr = 接收天線增益(功率比);Gt =發(fā)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(yuǎn)。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(yuǎn)。這一公式也常常用它來分析現(xiàn)代無線應(yīng)用的信號強(qiáng)度。
為了準(zhǔn)確測量信號的傳播,還必須了解天線在遠(yuǎn)場的輻射模式。在近場的反應(yīng)區(qū)里,接收天線可能會和發(fā)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(jié)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(zhǔn)確測量。
近場在通信領(lǐng)域也很有用。近場模式可以用于射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)。
射頻識別(RFID)
RFID是條形碼的電子版,它是一個內(nèi)部有芯片的很薄的標(biāo)簽,其中芯片集成了存儲和特定的電子代碼,可以用作識別、最總或其他用途。標(biāo)簽還包含一個被動收發(fā)器,在接近“閱讀器”的時候,由閱讀器發(fā)出的很強(qiáng)的RF信號就會被標(biāo)簽識別。閱讀器和標(biāo)簽的天線都是環(huán)形天線,相當(dāng)于變壓器的初級和次級。
由標(biāo)簽識別的信號經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流,為標(biāo)簽存儲和轉(zhuǎn)發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上,用于識別和處理。主動標(biāo)簽有時會用到電池,將感應(yīng)距離延長到近場以外的地方。RIFD標(biāo)簽的頻率范圍各不相同,有125kHz、13.56MHz和900MHz。
在900MHz,波長為:
λ= 300/900 = 0.333m 或 33.33cm
因此根據(jù)近場距離計算公式:
λ/2π= 0.159λ= 0.159(0.333) = 0.053m (約2英寸)
感應(yīng)距離通常超過這一數(shù)字,所以這一頻率下距離實際上也延伸到了遠(yuǎn)場。
近場通信(NFC)
NFC也采用了存儲和類似于信用卡的特定代碼。電池驅(qū)動的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)器可以把代碼發(fā)射到閱讀器上。NFC也使用近場,范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz,因此波長為:
λ= 300/13.56 = 22.1m (72.6英尺)
近場距離為不超過:
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5英尺
因為電量消耗低,實際的感應(yīng)距離很少超過1英尺。
近場工作區(qū)反射電平測試原理及方法
近場工作區(qū)反射電平測試原理
采用自由空間電壓駐波比法測量近場工作區(qū)反射電平,測量原理是基于微波暗室中存在有直射信號和反射信號,微波暗室中空間任意一點的場強(qiáng)是直射信號和反射信號的矢量合,在空間形成駐波,駐波數(shù)值的大小就反映了微波暗室內(nèi)反射電平的大小。
VSWR法測量原理圖
當(dāng)接收天線主瓣對準(zhǔn)發(fā)射天線時,所接收到的信號為ED。移動接收天線,則接收天線的直射信號ED與反射信號ER的相對相位將會改變,此時接收天線收到的信號幅度將產(chǎn)生波動,如圖所示,這一波動反映空間固有駐波,由此即可得到反射電平。
暗室空間駐波圖
將接收天線轉(zhuǎn)到比最大電平低a(dB)的方位角q時,則所接收的直射信號Eq=ED10a/20。當(dāng)反射信號與直射信號同相時合成場最大,這時以b表示:
當(dāng)反射信號與直射信號反相時合成場最小,這時以c表示:
則反射電平:
因此測出空間駐波曲線和接收天線方向圖,就可以計算出微波暗室反射電平。
測試方法
在近場工作區(qū)內(nèi)針對主反射墻的吸波材料進(jìn)行特定頻段吸收特性的測試。
測試位置的選取
測試近場工作區(qū)反射電平時,發(fā)射天線先置于暗室中心軸線上,接收天線置于正對被測墻壁的一個合理位置,并沿兩天線軸線移動一段距離進(jìn)行反射電平的測試。測試位置如圖所示。
近場靜區(qū)測試位置示意圖(俯視圖)
近場靜區(qū)測試位置示意圖(側(cè)視圖)
測試設(shè)備連接示意圖
測試步驟
連接好測試系統(tǒng),按圖2-5置發(fā)射天線及接收天線于測試位置Ⅰ;
設(shè)置信號源頻率為1GHz,輸出功率調(diào)至合適大小使發(fā)射天線輻射信號,接收天線在正對發(fā)射天線方向,沿待測行程線移動,并記錄接收信號曲線,測試曲線作為這條行程線的參考電平線;
將接收天線方向朝向被測墻壁吸波材料方向,接收天線沿這條測量行程線移動,并記錄空間駐波曲線;
改變天線極化方式,重復(fù)以上步驟a)~c)的測量;
分別在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz頻率點,重復(fù)步驟b)~d),直至完成所有頻率點測量;
改變發(fā)射天線及接收天線位置,如圖2-3所示,分別至位置Ⅱ、位置Ⅲ,重復(fù)上述步驟b)~e)的測量;
改變發(fā)射天線及接收天線高度,如圖2-4所示,分別至H2、H3,重復(fù)上述步驟b)~f)的測量。
數(shù)據(jù)處理
遠(yuǎn)場靜區(qū)幅度均勻性測試方法
遠(yuǎn)場靜區(qū)幅度均勻性是指發(fā)射天線保持不動,接收天線在靜區(qū)內(nèi)沿指定行程線移動時,接收信號幅度變化情況。
在進(jìn)行幅度均勻性測試時,接收天線沿圖所示的區(qū)域不同高度的行程線進(jìn)行橫向運(yùn)動,采集區(qū)域內(nèi)各個位置的幅度數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選及處理后得到靜區(qū)內(nèi)一個圓形平面的幅度均勻性測量結(jié)果。通過對靜區(qū)內(nèi)多個平面進(jìn)行測量,得到整個靜區(qū)的幅度均勻性測試結(jié)果。
測試步驟
連接好測試系統(tǒng),按圖3-2置發(fā)射天線及接收天線于測試位置Ⅰ;
設(shè)置信號源頻率為1GHz,輸出功率調(diào)至合適大小使發(fā)射天線輻射信號,接收天線在正對發(fā)射天線方向,沿待測行程線移動,并記錄接收信號曲線;
改變測試行程線在一個測試面內(nèi)的不同高度進(jìn)行測量;
改變天線極化方式,重復(fù)以上步驟a)~c)的測量;
分別在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz頻率點,重復(fù)步驟b)~d),直至完成所有頻率點測量;
改變測試面,重復(fù)上述步驟b)~e)的測量。