芯耀
224
通過之前#天線的介紹，我們知道天線是一種在無線電收發(fā)系統(tǒng)中向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。從早期收音機上長長的拉桿天線，到如今手機、路由器中小巧隱蔽的內(nèi)置天線，它的形態(tài)不斷變化，但其核心作用始終未變：將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去，或者把接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為電信號。
在無線通信系統(tǒng)中，天線扮演著至關(guān)重要的角色，它直接影響著信號的傳輸質(zhì)量、覆蓋范圍和通信效率。了解天線的相關(guān)知識，對于我們理解無線通信原理、優(yōu)化通信效果十分關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討天線領(lǐng)域中一個重要概念 ——?近場和遠(yuǎn)場。
No.1?什么是天線的近場和遠(yuǎn)場
1.1 神秘的近場
顧名思義，天線的近場就是是指緊鄰天線的區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，電磁場的分布極為復(fù)雜，并且隨著距離的變化而快速改變?。近場通常又細(xì)分為感應(yīng)近場和輻射近場（也稱為菲涅爾區(qū)）。
感應(yīng)近場是最靠近天線的部分，在這里，電磁場主要表現(xiàn)為感應(yīng)場。電場和磁場的時間相位差達(dá)到 90 度，這使得電磁場的能量處于震蕩狀態(tài)，并不會向外輻射，就好像能量被 “困” 在了這個區(qū)域，在不斷地進(jìn)行內(nèi)部的交換和振蕩。比如，環(huán)形天線在感應(yīng)近場中，磁場就占據(jù)主導(dǎo)地位，如同變壓器的初級線圈一樣，產(chǎn)生很強的磁場。
而輻射近場介于感應(yīng)近場和遠(yuǎn)場之間，是一個過渡區(qū)域。在這個區(qū)域里，輻射場開始逐漸嶄露頭角，不再像感應(yīng)近場那樣以感應(yīng)場為主導(dǎo)。但此時輻射場的角分布（也就是天線方向圖）與離開天線的距離密切相關(guān)，在不同的距離上，計算出的天線方向圖會有明顯差別。就好像一個正在成長變化的信號形態(tài)，還沒有完全穩(wěn)定下來。
1.2 遠(yuǎn)場的獨特特性
與近場相對的，是遠(yuǎn)場區(qū)域。遠(yuǎn)場是指距離天線較遠(yuǎn)的區(qū)域，當(dāng)電磁波傳播到這里時，電磁場呈現(xiàn)出典型的輻射波形式。電場和磁場在空間中相互垂直，并且與傳播方向也垂直，就像整齊排列的隊伍，各自有著明確的方向，這種特性與自由空間中的電磁波傳播十分相似。
在遠(yuǎn)場區(qū)域，有一個很重要的特點，就是輻射模式的形狀與距離無關(guān)。也就是說，無論距離天線多遠(yuǎn)（只要處于遠(yuǎn)場范圍內(nèi)），天線的輻射特性，如主瓣、副瓣和零點等的分布情況都是固定的，不會因為距離的改變而發(fā)生變化。這就好比一個已經(jīng)成型的產(chǎn)品，它的特性不會因為擺放位置的遠(yuǎn)近而改變。在實際的無線通信應(yīng)用中，我們最關(guān)注的往往就是遠(yuǎn)場區(qū)域，因為在這個區(qū)域，信號能夠穩(wěn)定地傳播，更好地滿足通信需求。
1.3 近場和遠(yuǎn)場的界限劃分
在天線領(lǐng)域，近場和遠(yuǎn)場的界限并非簡單的直觀判斷，而是有著嚴(yán)格的計算公式。最常用的用于劃分輻射近場和遠(yuǎn)場的公式是：
其中r代表從天線中心到該點的距離，這個距離就是判斷近場和遠(yuǎn)場的關(guān)鍵指標(biāo)；D指的是天線的最大尺寸，它體現(xiàn)了天線的物理規(guī)模大?。沪吮硎竟ぷ鞑ㄩL，它與天線的工作頻率f密切相關(guān)，通過公式λ=c/f計算得出，c為光速，約為3*10^8m/s 。
當(dāng)
時，該點就處于天線的遠(yuǎn)場區(qū)；而當(dāng)
時，此點便位于天線的近場區(qū)。例如，有一個工作頻率為 2GHz 的天線，其最大尺寸D為 0.1m。首先通過公式計算波長
，再代入近遠(yuǎn)場劃分公式計算界限距離
。這就表明，在距離該天線中心 0.133m 以外的區(qū)域為遠(yuǎn)場，以內(nèi)則為近場。
天線近場和遠(yuǎn)場的劃分的主要影響因素如下：
天線尺寸 D
天線的尺寸大小對近場和遠(yuǎn)場的范圍有著顯著影響。通常情況下，天線的尺寸越大，近場區(qū)域就會相對更大。這是因為大尺寸天線的電流分布和電荷分布更為復(fù)雜，使得感應(yīng)場的作用范圍更廣，進(jìn)而導(dǎo)致近場范圍增大。同時，遠(yuǎn)場區(qū)域也會相對更遠(yuǎn)，因為大尺寸天線往往具有更強的輻射能力，電磁波能夠傳播到更遠(yuǎn)的地方才進(jìn)入遠(yuǎn)場穩(wěn)定傳播狀態(tài)。比如大型的拋物面天線，其尺寸較大，近場范圍可以延伸到數(shù)米甚至數(shù)十米，遠(yuǎn)場的起始距離也會比小尺寸天線遠(yuǎn)很多。
工作頻率 f
工作頻率是影響近場和遠(yuǎn)場界限的重要因素之一。較高頻率的天線在同樣的尺寸下具有更小的近場區(qū)域。這是因為頻率越高，波長越短，電磁場的變化速度更快，感應(yīng)場的作用范圍就會受到限制，從而使近場區(qū)域變小。相對地，遠(yuǎn)場區(qū)域會更遠(yuǎn)，因為高頻信號攜帶的能量較高，能夠在更遠(yuǎn)的距離上保持穩(wěn)定的輻射傳播。以常見的 2.4GHz Wi-Fi 天線和 900MHz 的 RFID 天線為例，2.4GHz 天線的近場范圍相對較小，遠(yuǎn)場起始距離更遠(yuǎn)；而 900MHz 的 RFID 天線近場范圍則相對較大，遠(yuǎn)場起始距離較近。
輻射功率
輻射功率的大小會直接影響近場和遠(yuǎn)場的界限。輻射功率越大，近場區(qū)域就會相對更大。這是因為較大的輻射功率意味著天線在近場區(qū)域能夠產(chǎn)生更強的電磁場，使得感應(yīng)場和輻射近場的范圍都有所擴大。例如，大功率的基站天線，其輻射功率強大，近場范圍可以覆蓋周圍較大的空間區(qū)域。
周圍環(huán)境
天線周圍的環(huán)境也會對近場和遠(yuǎn)場的界限產(chǎn)生影響。如果天線周圍有其他天線、障礙物或介質(zhì)，都會影響電磁場的分布，改變近場和遠(yuǎn)場的范圍。當(dāng)有其他天線存在時，它們之間的電磁場會相互干擾，導(dǎo)致近場和遠(yuǎn)場的特性發(fā)生變化；障礙物會對電磁波產(chǎn)生反射、散射和吸收等作用，使得電磁場的傳播路徑和強度發(fā)生改變，進(jìn)而影響近場和遠(yuǎn)場的范圍；不同的介質(zhì)對電磁波的傳播特性也有不同的影響，比如在金屬介質(zhì)附近，電磁波會發(fā)生強烈的反射，導(dǎo)致近場范圍和場強分布改變；在電介質(zhì)中，電磁波的傳播速度和衰減特性會發(fā)生變化，也會影響近場和遠(yuǎn)場的界限 。
No.2 近場和遠(yuǎn)場對信號的影響
在近場區(qū)域，信號強度與距離呈現(xiàn)出一種特殊的關(guān)系，它與距離的立方成反比。這意味著當(dāng)距離天線非常近時，信號強度的變化極為劇烈。當(dāng)距離減小一半，信號強度理論上會變?yōu)樵瓉淼陌吮?。但這種變化并非簡單的線性增長，在實際情況中，由于近場信號包含大量非有用成分，如感應(yīng)場產(chǎn)生的能量振蕩、周邊環(huán)境的干擾反射等，導(dǎo)致信號非常不穩(wěn)定。
近場信號中，除了攜帶我們期望傳輸?shù)挠杏眯畔⑼?，還混雜著各種干擾信號和噪聲。這些干擾信號可能來自于天線自身的結(jié)構(gòu)、周圍的電子設(shè)備以及環(huán)境中的各種電磁輻射源。它們與有用信號相互疊加，使得信號的穩(wěn)定性大打折扣。例如，在一些電子設(shè)備密集的場所，如大型數(shù)據(jù)中心或電子市場，近場信號受到的干擾更加嚴(yán)重，信號中包含的非有用成分增多，通信質(zhì)量明顯下降，導(dǎo)致設(shè)備之間的通信出現(xiàn)卡頓、數(shù)據(jù)丟失等問題。
當(dāng)電磁波傳播到遠(yuǎn)場區(qū)域時，信號以平面波的形式傳播，這使得信號的傳播特性更加穩(wěn)定和可預(yù)測。信號強度的衰減遵循反平方律，與距離的平方成反比。相比近場信號與距離立方成反比的衰減規(guī)律，遠(yuǎn)場信號的衰減相對平緩，不會出現(xiàn)像近場那樣劇烈的變化。
在遠(yuǎn)場中，信號的方向性顯著增強。天線在遠(yuǎn)場區(qū)域能夠更好地將能量集中在特定方向上傳播，使得信號能夠更有效地傳輸?shù)侥繕?biāo)接收設(shè)備。這種方向性的增強不僅提高了信號的傳輸效率，還減少了信號在傳播過程中受到其他方向干擾的可能性。例如，在衛(wèi)星通信中，地面站與衛(wèi)星之間的通信距離遙遠(yuǎn)，處于遠(yuǎn)場區(qū)域。通過精確調(diào)整天線的方向，使得信號能夠準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的通信。即使在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，遠(yuǎn)場信號由于其較強的方向性和相對穩(wěn)定的傳播特性，也能夠保持較好的通信質(zhì)量，大大減少了通信中斷、信號失真等問題的發(fā)生 。
No.3 近場和遠(yuǎn)場在實際中的應(yīng)用
3.1 近場應(yīng)用場景
射頻識別（RFID）技術(shù)
RFID 技術(shù)在物流、零售、交通等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在物流行業(yè)，倉庫中的貨物常常貼上 RFID 標(biāo)簽，叉車等設(shè)備上安裝有 RFID 閱讀器。當(dāng)閱讀器靠近貼有標(biāo)簽的貨物時，利用近場的電磁感應(yīng)原理，標(biāo)簽與閱讀器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)對貨物的快速識別、定位和追蹤。在零售行業(yè)，商品上的 RFID 標(biāo)簽?zāi)軒椭碳铱焖俦P點庫存，顧客在結(jié)賬時也能通過 RFID 技術(shù)實現(xiàn)快速結(jié)算，大大提高了購物效率。以大型倉儲式超市為例，工作人員使用手持 RFID 閱讀器在貨架間穿梭，就能迅速獲取所有商品的信息，了解庫存數(shù)量，及時補貨，減少缺貨現(xiàn)象的發(fā)生 。
NFC 技術(shù)在移動支付、電子票務(wù)、門禁系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用。在移動支付領(lǐng)域，像 Apple Pay、Google Pay 和國內(nèi)的一些手機 Pay 功能，用戶只需將支持 NFC 的手機靠近支持 NFC 支付的終端設(shè)備，如 POS 機，即可完成支付操作，整個過程方便快捷，無需繁瑣的刷卡、輸密碼步驟。在電子票務(wù)方面，乘坐地鐵、公交時，用戶將手機靠近閘機感應(yīng)區(qū)，就能完成票務(wù)驗證，順利通過閘機。門禁系統(tǒng)中，支持 NFC 功能的手機可以替代傳統(tǒng)的門禁卡，用戶靠近門禁感應(yīng)區(qū)域，即可解鎖開門。例如，很多智能寫字樓都采用了 NFC 門禁系統(tǒng)，員工無需攜帶實體門禁卡，直接用手機就能輕松進(jìn)出辦公區(qū)域，提升了辦公的便捷性 。
3.2 遠(yuǎn)場應(yīng)用場景
無線通信領(lǐng)域
在我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C通信、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信等方面，遠(yuǎn)場起著關(guān)鍵作用。手機通信中，基站與手機之間通過遠(yuǎn)場信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)我們打電話、瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻時，手機將語音、數(shù)據(jù)等信息調(diào)制到電磁波上，通過天線發(fā)射到遠(yuǎn)場區(qū)域，基站接收信號后進(jìn)行處理，再將相應(yīng)的信號發(fā)送回手機，實現(xiàn)雙向通信。在 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中，無線路由器通過遠(yuǎn)場信號將網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋到一定區(qū)域，手機、電腦等設(shè)備連接到該 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速上網(wǎng)。衛(wèi)星通信更是依賴遠(yuǎn)場信號，地面站與衛(wèi)星之間的通信距離遙遠(yuǎn)，處于遠(yuǎn)場區(qū)域。衛(wèi)星電視通過衛(wèi)星將電視信號傳輸到地面接收站，讓我們能夠收看到來自世界各地的豐富電視節(jié)目；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如 GPS、北斗等，通過衛(wèi)星與地面接收設(shè)備之間的遠(yuǎn)場通信，為我們提供精確的定位、導(dǎo)航服務(wù)，無論是駕車出行、航海作業(yè)還是航空飛行，都離不開衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于遠(yuǎn)場通信的精準(zhǔn)定位 。
雷達(dá)探測領(lǐng)域
雷達(dá)在軍事、航空、氣象等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。軍事雷達(dá)通過發(fā)射遠(yuǎn)場電磁波，當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)物體，如飛機、導(dǎo)彈等，會發(fā)生反射，反射波被雷達(dá)接收。通過分析反射波的特性，如回波強度、相位、頻率變化等，雷達(dá)可以確定目標(biāo)的位置、速度、形狀等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別。在航空領(lǐng)域，機場的空管雷達(dá)利用遠(yuǎn)場特性，實時監(jiān)測飛機的位置和飛行狀態(tài)，確保飛機之間保持安全距離，引導(dǎo)飛機安全起降。氣象雷達(dá)則通過發(fā)射遠(yuǎn)場電磁波，探測大氣中的云層、雨滴、雪花等氣象目標(biāo)，獲取氣象信息，為天氣預(yù)報提供重要的數(shù)據(jù)支持，幫助我們提前做好應(yīng)對惡劣天氣的準(zhǔn)備 。
No.4 小結(jié)
天線的近場和遠(yuǎn)場，猶如無線通信世界的兩極，各自有著獨特的特性和重要作用。近場區(qū)域，電磁場分布復(fù)雜，信號變化劇烈，充滿了各種干擾和不穩(wěn)定因素，但也正是這些特性，讓它在射頻識別、近場通信等近距離通信應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。而遠(yuǎn)場區(qū)域，信號以穩(wěn)定的平面波形式傳播，方向性強，衰減規(guī)律相對穩(wěn)定，這使得它成為了無線通信、雷達(dá)探測等遠(yuǎn)距離通信和探測領(lǐng)域的核心。
