電磁場（chǎng）近場（chǎng）和遠場的差別

無線電波應該稱作電磁波或者簡稱（chēng）為EM波，因（yīn）為無線電波包含電場和磁場。來自發射器、經由天線發出的（de）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（kǒu）。

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

圖1展示了（le）典型的半波偶極子天（tiān）線是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，因此在天線的各元件間生成了電場，極（jí）性每半（bàn）個周期（qī）變換一次。天線元件的（de）電流產生磁（cí）場，方向（xiàng）每半個周期變換一次。電磁場互為直角（jiǎo）正交。

（1） 圍繞著半（bàn）波偶極子的電磁場包括一個電場(a)和一（yī）個磁場(b)。電磁場均為球形且互成直角（jiǎo）天線旁邊的磁場呈球（qiú）形或弧形，特別（bié）是（shì）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（míng）顯，特性也逐漸趨向平麵。接收天線通（tōng）常接收平麵波。

雖然（rán）電磁場存（cún）在於天線周圍，但他們會（huì）向外擴張（zhāng）(圖2)，超出天線以外後（hòu），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（cí）場互相（xiàng）產生，這樣的“獨立"波就是無（wú）線電波。

（2）距（jù）離天線一定範（fàn）圍內，電場和磁場基本為平麵並以直角相交。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（xiàn）方（fāng）向成正交，即垂直（zhí）紙麵向內或（huò）向外。在(b)圖中，磁場線垂直紙麵向外，如圖中圓圈所示。

對近場似乎還沒有正式的定義——它取決於應（yīng）用本身和天線。通常，近場是指（zhǐ）從天線開始到1個波長(λ)的距離。波長單位為米，公式如下（xià）：
λ = 300/fMHz
λ = 300/fMHz
因（yīn）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（hé）近場、遠場。近場通常分（fèn）為兩個區（qū）域，反應區和輻射區。在反應區裏（lǐ），電場和磁場是最（）強的，並且可以單獨測量。根據天線的種（zhǒng）類，某一種場會成為主導。例如（rú）環形天線主要是磁場，環（huán）形天線就如同變（biàn）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（suǒ）示。天線應位於正弦波左側起始的位置。

輻射區內，電（diàn）磁場開始輻射，標誌著遠場（chǎng）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，遠場開始於距離為2λ的地方。

和近場類似，遠場的起始也沒（méi）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（rén）認為應該根據天線的最大尺（chǐ）寸D，距離為 50D2/λ。

還有人認為近場遠場的交（jiāo）界始於2D2/λ。也有人說（shuō）遠場（chǎng）起始（shǐ）於近場消失的地方，就（jiù）是前（qián）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18.64萬英裏/秒的速度傳播，相當（dāng）於光速。電場和磁場互相支持並互（hù）相產生，信號（hào）強度和距（jù）離平方成反（fǎn）比(1/r2)。麥（mài）克斯韋在（zài）其著名的（de）公式中描述了（le）這一現象。

19世紀70年代末，在無線（xiàn）電波發明（míng）之前，蘇格蘭物理（lǐ）學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（wéi）預測出（chū）了（le）電磁波的（de）存在。他綜合了（le）安培、法拉第和歐姆等人的定律，製（zhì）定了一套方程表達電磁場是如何相互產生和傳播的（de），並斷定電場和磁場互相依存、互相支持。19世（shì）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）磁場理論（lùn）。

麥克斯韋創造了四（sì）個（gè）基本方程，表達電（diàn）場、磁（cí）場和時間之間的關係（xì）。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（zǔ）方式是說，變化的磁場可以產生電（diàn）場。天線發（fā）出的電磁波在空間中自行（háng）傳播（bō）。本文沒（méi）有列出這些方程組，但（dàn）你應該記（jì）得包含一些不（bú）同的方程。

遠場在空間中傳播的強度變化由（yóu）Friis公式決定：
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

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

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（de）平方成正比，也就是說，波長較長、頻率較低的電磁波傳（chuán）的更遠。例如，同（tóng）等的（de）功率和天線增益下，900MHz的信號（hào）會比2.4GHz的信號傳播得更遠。這一公式也常常用它（tā）來分析現代無線應用的信號強度（dù）。

為了準確測量（liàng）信號的（de）傳播，還必須了解天線在遠場的輻射模式。在近場的反應區裏，接收天線可能會和發射天線會由於電容和電感（gǎn）的耦合作用互相幹擾，造成錯誤的結果（guǒ）。另一方（fāng）麵，如果有特定的測量（liàng）儀器，近（jìn）場的輻射模式就可以準確測量。

近場（chǎng）在通信領域也很有用。近場模式可以用於射頻識別(RFID)和近場（chǎng）通（tōng）信(NFC)。

RFID是條形（xíng）碼的電子版，它是一個內部有芯片的很薄的標（biāo）簽（qiān），其中芯片集成了存儲和特（tè）定的電子代碼，可以用（yòng）作識別、最總或其他用途。標（biāo）簽還包含一個被動收發器，在接（jiē）近“閱讀器（qì）"的時候，由閱讀器發出（chū）的很強的（de）RF信號就（jiù）會（huì）被標簽識別。閱讀器和標簽的天線都是環形天線，相當於變壓器的（de）初級和次級。

由標簽識別的（de）信號經過整流（liú）濾波轉換成直流，為標簽存儲和轉發供能。發射器將代碼發送（sòng）到閱讀（dú）器上，用於識別和處理。主動標簽有時會用到電池，將感應距離延長到近場以外的地（dì）方。RIFD標簽（qiān）的頻率範圍各不相同，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（huò） 33.33 cm

因此（cǐ）根據近場距離計算公式：
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英寸)

感應距離通常超過這一數字，所以這一頻（pín）率下距離實際上也延伸到了遠場。

NFC也（yě）采用了存儲和類似於信（）用卡的（de）特定代（dài）碼（mǎ）。電池驅動的內部轉發器可以把代碼發射到閱讀器上。NFC也使用近場，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

近場距離為不超過：
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 英尺

因為電量（liàng）消耗（hào）低，實際的感應距離很少超（chāo）過1英尺。

NFC是部署“電（diàn）子（zǐ）錢包"所（suǒ）使用的技術。通過電（diàn）子錢包，消（）費者可以無需信（）用（yòng）卡，而用支（zhī）持NFC的智能手（shǒu）機進行付款。