發布時間:2025-04-12作者來源:金航標瀏覽:557
當高頻電流在天線中流動時,會在周圍空間產生高頻電磁場。天線的周圍空間通常可細分為(分類為)三個區域:電抗近場區域、輻射近場(菲涅爾)區域和遠場(夫瑯禾費)區域。這些區域有助于識別場結構,以便確定可以應用哪些簡化方法,但場的配置并沒有準確的邊界,也不會發生突變。
盡管這些區域在多年前就已被預測到,但最早發表有關天線周圍區域內容的是20世紀30年代中期的謝爾庫諾夫(Schelkunoff),隨后是弗里斯(Friis)和克勞斯(Kraus)。有人提到,天線周圍的空間可分為兩個區域:一個靠近天線,稱為“天線區域”;另一個在天線外部,稱為 “外部區域”。這兩個區域之間的邊界(是一個以天線中心為球心的球體),其半徑R可任意取為:
其中,L是天線的最大尺寸(長度),λ是波長。
最初,為了強調遠處的場與靠近天線的場之間的區別,“外部區域”又被細分為兩個區域:靠近天線的區域稱為近場或菲涅爾區域;距離較遠的區域稱為遠場或夫瑯禾費區域。后來,“天線區域”被稱為電抗近場,菲涅爾區域被稱為輻射近場,夫瑯禾費區域被稱為遠場。
- 無窮遠至天線區域邊界球:遠場或夫瑯禾費區域
- R = 2L2/λ區域:輻射近場或菲涅爾區域
- 菲涅爾 - 夫瑯禾費邊界球以內:天線區域或電抗近場
這些天線區域以物理學家菲涅爾和夫瑯禾費的名字命名,這是因為天線場與他們在光學領域的發明和發現存在相似之處。在輻射近場(菲涅爾)區域,徑向場可能較為明顯,場方向圖的形狀通常是到天線距離的函數。在遠場(夫瑯禾費)區域,電場E和磁場H矢量與傳播方向垂直且相互正交,該區域中每一處的場阻抗|E|/|H|接近自由空間波阻抗377歐姆。場方向圖的形狀與測量時到天線的半徑(距離)無關。
然而,滿足遠場條件的離天線距離,取決于天線尺寸與波長的關系。對于較小的天線(如半波偶極子),與電大尺寸天線相比,其輻射的波前在更近的距離處就幾乎平行了。對于小天線,一個較好的近似是,在滿足下式時達到遠場條件:
R = 2λ
●電抗近場區域
在天線的緊鄰區域是電抗近場。在這個區域,場主要是電抗場,這意味著電場E和磁場H彼此相位相差90°(回想一下,對于傳播或輻射場,電場和磁場是正交/垂直的,但卻是同相的)。對于天線的最大尺寸L,電抗近場區域的邊界R通常表示為:
●輻射近場(菲涅爾)區域
輻射近場或菲涅爾區域是電抗近場和遠場之間的區域。在這個區域,電抗場不再占主導地位,輻射場開始出現。然而,與遠場區域不同,這里輻射方向圖的形狀會隨著到天線距離R的變化而顯著改變。對于天線尺寸L,輻射近場區域的邊界R通常由下式給出:
需要注意的是,根據R和波長的值,這個場區域可能存在,也可能不存在。
●遠場(夫瑯禾費)區域
按照定義,遠場是遠離天線的區域。在這個區域,輻射方向圖的形狀不會隨距離R變化(盡管場強仍按1/R衰減,功率密度按1/R2衰減)。該區域主要由輻射場主導,電場E和磁場H相互正交,且與傳播方向的關系和平面波一樣。
如果天線的最大線性尺寸是長度L,那么要處于遠場區域,必須同時滿足以下三個條件:
1).
2). R>>L
3). R>>λ
上述方程1)和2)確保了從天線不同部分向給定方向輻射的功率近似平行(見下圖)。這有助于確保遠場區域的場表現得像平面波。
在遠場中,天線任意點發出的射線近似平行
- 需要注意的是,陣列天線的尺寸L是陣列兩端之間的最長距離。根據天線元件的數量和天線陣列的類型,陣列天線的尺寸L可能比單個天線元件的尺寸大很多倍。因此,我們可以看到陣列天線的遠場起始范圍比單個天線元件的遠場范圍大得多。
- 需要注意的是,“遠大于 >>”(方程2和3)通常認為,如果方程左邊至少是右邊的10倍,則滿足該條件。
遠場方程3)源于這樣一個事實:在輻射天線附近存在電抗場(見上文電抗近場區域),這些電抗場的電場E和磁場H通常隨距離按1/R2和1/R3衰減。方程3)確保這些近場消失,只剩下輻射場,輻射場隨距離按1/R衰減。
- 在陣列中,對于低旁瓣設計,R>(2×L2)/λ的遠場距離可能不夠。隨著觀察距離從無窮遠拉近,第一旁瓣上升,零點開始填充。然后旁瓣變成現在更寬的主瓣上的肩部,第二個零點上升。隨著距離減小,這個過程會繼續。一階近似下,結果僅取決于設計的旁瓣電平。
- 遠場區域也被稱為夫瑯禾費區域,這是一個從光學領域沿用過來的術語。
- 遠場區域是最重要的場區,因為它決定了天線的輻射方向圖。此外,天線用于長距離無線通信,所以這是大多數天線的工作區域。
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