射频也疯狂！海蒂・拉玛：从好莱坞艳星到 "跳频" 女王的传奇人生

通过之前#天线的介绍，我们知道天线是一种在无线电收发系统中向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。从早期收音机上长长的拉杆天线，到如今手机、路由器中小巧隐蔽的内置天线，它的形态不断变化，但其核心作用始终未变：将电信号转化为电磁波发射出去，或者把接收到的电磁波转化为电信号。在无线通信系统中，天线扮演着至关重要的角色，它直接影响着信号的传输质量、覆盖范围和通信效率。了解天线的相关知识，对于我们理解无线通信原理、优化通信效果十分关键。今天，我们就来深入探讨天线领域中一个重要概念 —— 近场和远场。No.1 什么是天线的近场和远场1.1 神秘的近场顾名思义，天线的近场就是是指紧邻天线的区域，在这个区域内，电磁场的分布极为复杂，并且随着距离的变化而快速改变 。近场通常又细分为感应近场和辐射近场（也称为菲涅尔区）。感应近场是最靠近天线的部分，在这里，电磁场主要表现为感应场。电场和磁场的时间相位差达到 90 度，这使得电磁场的能量处于震荡状态，并不会向外辐射，就好像能量被 “困” 在了这个区域，在不断地进行内部的交换和振荡。比如，环形天线在感应近场中，磁场就占据主导地位，如同变压器的初级线圈一样，产生很强的磁场。而辐射近场介于感应近场和远场之间，是一个过渡区域。在这个区域里，辐射场开始逐渐崭露头角，不再像感应近场那样以感应场为主导。但此时辐射场的角分布（也就是天线方向图）与离开天线的距离密切相关，在不同的距离上，计算出的天线方向图会有明显差别。就好像一个正在成长变化的信号形态，还没有完全稳定下来。1.2 远场的独特特性与近场相对的，是远场区域。远场是指距离天线较远的区域，当电磁波传播到这里时，电磁场呈现出典型的辐射波形式。电场和磁场在空间中相互垂直，并且与传播方向也垂直，就像整齐排列的队伍，各自有着明确的方向，这种特性与自由空间中的电磁波传播十分相似。在远场区域，有一个很重要的特点，就是辐射模式的形状与距离无关。也就是说，无论距离天线多远（只要处于远场范围内），天线的辐射特性，如主瓣、副瓣和零点等的分布情况都是固定的，不会因为距离的改变而发生变化。这就好比一个已经成型的产品，它的特性不会因为摆放位置的远近而改变。在实际的无线通信应用中，我们最关注的往往就是远场区域，因为在这个区域，信号能够稳定地传播，更好地满足通信需求。1.3 近场和远场的界限划分在天线领域，近场和远场的界限并非简单的直观判断，而是有着严格的计算公式。最常用的用于划分辐射近场和远场的公式是：其中r代表从天线中心到该点的距离，这个距离就是判断近场和远场的关键指标；D指的是天线的最大尺寸，它体现了天线的物理规模大小；λ表示工作波长，它与天线的工作频率f密切相关，通过公式λ=c/f计算得出，c为光速，约为3*10^8m/s 。当时，该点就处于天线的远场区；而当时，此点便位于天线的近场区。例如，有一个工作频率为 2GHz 的天线，其最大尺寸D为 0.1m。首先通过公式计算波长，再代入近远场划分公式计算界限距离 。这就表明，在距离该天线中心 0.133m 以外的区域为远场，以内则为近场。天线近场和远场的划分的主要影响因素如下：天线尺寸 D天线的尺寸大小对近场和远场的范围有着显著影响。通常情况下，天线的尺寸越大，近场区域就会相对更大。这是因为大尺寸天线的电流分布和电荷分布更为复杂，使得感应场的作用范围更广，进而导致近场范围增大。同时，远场区域也会相对更远，因为大尺寸天线往往具有更强的辐射能力，电磁波能够传播到更远的地方才进入远场稳定传播状态。比如大型的抛物面天线，其尺寸较大，近场范围可以延伸到数米甚至数十米，远场的起始距离也会比小尺寸天线远很多。工作频率 f工作频率是影响近场和远场界限的重要因素之一。较高频率的天线在同样的尺寸下具有更小的近场区域。这是因为频率越高，波长越短，电磁场的变化速度更快，感应场的作用范围就会受到限制，从而使近场区域变小。相对地，远场区域会更远，因为高频信号携带的能量较高，能够在更远的距离上保持稳定的辐射传播。以常见的 2.4GHz Wi-Fi 天线和 900MHz 的 RFID 天线为例，2.4GHz 天线的近场范围相对较小，远场起始距离更远；而 900MHz 的 RFID 天线近场范围则相对较大，远场起始距离较近。辐射功率辐射功率的大小会直接影响近场和远场的界限。辐射功率越大，近场区域就会相对更大。这是因为较大的辐射功率意味着天线在近场区域能够产生更强的电磁场，使得感应场和辐射近场的范围都有所扩大。例如，大功率的基站天线，其辐射功率强大，近场范围可以覆盖周围较大的空间区域。周围环境天线周围的环境也会对近场和远场的界限产生影响。如果天线周围有其他天线、障碍物或介质，都会影响电磁场的分布，改变近场和远场的范围。当有其他天线存在时，它们之间的电磁场会相互干扰，导致近场和远场的特性发生变化；障碍物会对电磁波产生反射、散射和吸收等作用，使得电磁场的传播路径和强度发生改变，进而影响近场和远场的范围；不同的介质对电磁波的传播特性也有不同的影响，比如在金属介质附近，电磁波会发生强烈的反射，导致近场范围和场强分布改变；在电介质中，电磁波的传播速度和衰减特性会发生变化，也会影响近场和远场的界限 。No.2 近场和远场对信号的影响在近场区域，信号强度与距离呈现出一种特殊的关系，它与距离的立方成反比。这意味着当距离天线非常近时，信号强度的变化极为剧烈。当距离减小一半，信号强度理论上会变为原来的八倍。但这种变化并非简单的线性增长，在实际情况中，由于近场信号包含大量非有用成分，如感应场产生的能量振荡、周边环境的干扰反射等，导致信号非常不稳定。近场信号中，除了携带我们期望传输的有用信息外，还混杂着各种干扰信号和噪声。这些干扰信号可能来自于天线自身的结构、周围的电子设备以及环境中的各种电磁辐射源。它们与有用信号相互叠加，使得信号的稳定性大打折扣。例如，在一些电子设备密集的场所，如大型数据中心或电子市场，近场信号受到的干扰更加严重，信号中包含的非有用成分增多，通信质量明显下降，导致设备之间的通信出现卡顿、数据丢失等问题。当电磁波传播到远场区域时，信号以平面波的形式传播，这使得信号的传播特性更加稳定和可预测。信号强度的衰减遵循反平方律，与距离的平方成反比。相比近场信号与距离立方成反比的衰减规律，远场信号的衰减相对平缓，不会出现像近场那样剧烈的变化。在远场中，信号的方向性显著增强。天线在远场区域能够更好地将能量集中在特定方向上传播，使得信号能够更有效地传输到目标接收设备。这种方向性的增强不仅提高了信号的传输效率，还减少了信号在传播过程中受到其他方向干扰的可能性。例如，在卫星通信中，地面站与卫星之间的通信距离遥远，处于远场区域。通过精确调整天线的方向，使得信号能够准确地指向卫星，实现高效、稳定的通信。即使在复杂的电磁环境中，远场信号由于其较强的方向性和相对稳定的传播特性，也能够保持较好的通信质量，大大减少了通信中断、信号失真等问题的发生 。No.3 近场和远场在实际中的应用3.1 近场应用场景射频识别（RFID）技术RFID 技术在物流、零售、交通等众多领域有着广泛的应用。在物流行业，仓库中的货物常常贴上 RFID 标签，叉车等设备上安装有 RFID 阅读器。当阅读器靠近贴有标签的货物时，利用近场的电磁感应原理，标签与阅读器之间进行数据交换，从而实现对货物的快速识别、定位和追踪。在零售行业，商品上的 RFID 标签能帮助商家快速盘点库存，顾客在结账时也能通过 RFID 技术实现快速结算，大大提高了购物效率。以大型仓储式超市为例，工作人员使用手持 RFID 阅读器在货架间穿梭，就能迅速获取所有商品的信息，了解库存数量，及时补货，减少缺货现象的发生 。近场通信（NFC）技术NFC 技术在移动支付、电子票务、门禁系统等方面发挥着重要作用。在移动支付领域，像 Apple Pay、Google Pay 和国内的一些手机 Pay 功能，用户只需将支持 NFC 的手机靠近支持 NFC 支付的终端设备，如 POS 机，即可完成支付操作，整个过程方便快捷，无需繁琐的刷卡、输密码步骤。在电子票务方面，乘坐地铁、公交时，用户将手机靠近闸机感应区，就能完成票务验证，顺利通过闸机。门禁系统中，支持 NFC 功能的手机可以替代传统的门禁卡，用户靠近门禁感应区域，即可解锁开门。例如，很多智能写字楼都采用了 NFC 门禁系统，员工无需携带实体门禁卡，直接用手机就能轻松进出办公区域，提升了办公的便捷性 。3.2 远场应用场景无线通信领域在我们日常使用的手机通信、Wi-Fi 网络以及卫星通信等方面，远场起着关键作用。手机通信中，基站与手机之间通过远场信号进行数据传输。当我们打电话、浏览网页、观看视频时，手机将语音、数据等信息调制到电磁波上，通过天线发射到远场区域，基站接收信号后进行处理，再将相应的信号发送回手机，实现双向通信。在 Wi-Fi 网络中，无线路由器通过远场信号将网络信号覆盖到一定区域，手机、电脑等设备连接到该 Wi-Fi 网络，实现高速上网。卫星通信更是依赖远场信号，地面站与卫星之间的通信距离遥远，处于远场区域。卫星电视通过卫星将电视信号传输到地面接收站，让我们能够收看到来自世界各地的丰富电视节目；卫星导航系统如 GPS、北斗等，通过卫星与地面接收设备之间的远场通信，为我们提供精确的定位、导航服务，无论是驾车出行、航海作业还是航空飞行，都离不开卫星导航系统基于远场通信的精准定位 。雷达探测领域雷达在军事、航空、气象等领域有着广泛应用。军事雷达通过发射远场电磁波，当电磁波遇到目标物体，如飞机、导弹等，会发生反射，反射波被雷达接收。通过分析反射波的特性，如回波强度、相位、频率变化等，雷达可以确定目标的位置、速度、形状等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。在航空领域，机场的空管雷达利用远场特性，实时监测飞机的位置和飞行状态，确保飞机之间保持安全距离，引导飞机安全起降。气象雷达则通过发射远场电磁波，探测大气中的云层、雨滴、雪花等气象目标，获取气象信息，为天气预报提供重要的数据支持，帮助我们提前做好应对恶劣天气的准备 。No.4 小结天线的近场和远场，犹如无线通信世界的两极，各自有着独特的特性和重要作用。近场区域，电磁场分布复杂，信号变化剧烈，充满了各种干扰和不稳定因素，但也正是这些特性，让它在射频识别、近场通信等近距离通信应用中发挥着关键作用。而远场区域，信号以稳定的平面波形式传播，方向性强，衰减规律相对稳定，这使得它成为了无线通信、雷达探测等远距离通信和探测领域的核心。注释：射频学堂原创或者转载的内容，其版权皆归原作者所有，其观点仅代表作者个人，射频学堂仅用于知识分享。如需转载或者引用，请与原作者联系。来源：射频学堂