電磁場近場和遠場的差別

無線電波應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。來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場，天線是信號到自由空間的轉換器和接口。

因此，電磁場的特性變化取決於與天線的距離。可變的電磁場經常劃分為兩部分——近場和遠場。要清楚了解二者的區別，就必須了解無線電波的傳播。

圖1展示了典型的半波偶極子天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，極性每半個周期變換一次。天線元件的電流產生磁場，方向每半個周期變換一次。電磁場互為直角正交。

（1） 圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個電場(a)和一個磁場(b)。電磁場均為球形且互成直角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。

雖然電磁場存在於天線周圍，但他們會向外擴張(圖2)，超出天線以外後，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生，這樣的「獨立」波就是無線電波。

（2）距離天線一定範圍內，電場和磁場基本為平面並以直角相交。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方向成正交，即垂直紙面向內或向外。在(b)圖中，磁場線垂直紙面向外，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
λ = 300/fMHz

因此，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近場、遠場。近場通常分為兩個區域，反應區和輻射區。在反應區裡，電場和磁場是最強的，並且可以單獨測量。根據天線的種類，某一種場會成為主導。例如環形天線主要是磁場，環形天線就如同變壓器的初級，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示。天線應位於正弦波左側起始的位置。

輻射區內，電磁場開始輻射，標誌著遠場的開始。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，另有人認為應該根據天線的最大尺寸D，距離為 50D2/λ。

還有人認為近場遠場的交界始於2D2/λ。也有人說遠場起始於近場消失的地方，就是前文提到的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18.64萬英裡/秒的速度傳播，相當於光速。電場和磁場互相支持並互相產生，信號強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象。

19世紀70年代末，在無線電波發明之前，蘇格蘭物理學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋預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電磁場是如何相互產生和傳播的，並斷定電場和磁場互相依存、互相支持。19世紀80年代末，德國物理學家海因裡希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場理論。

麥克斯韋創造了四個基本方程，表達電場、磁場和時間之間的關係。電場隨時間推移產生移動電荷，也就是電流，從而產生磁場。另一組方式是說，變化的磁場可以產生電場。天線發出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒有列出這些方程組，但你應該記得包含一些不同的方程。

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

公式中，Pr =接收功率；Pt =發射功率；Gr = 接收天線增益(功率比)；Gt =發射天線增益(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。

這裡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。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。這一公式也常常用它來分析現代無線應用的信號強度。

為了準確測量信號的傳播，還必須了解天線在遠場的輻射模式。在近場的反應區裡，接收天線可能會和發射天線會由於電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。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確測量。

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

RFID是條形碼的電子版，它是一個內部有晶片的很薄的標籤，其中晶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。標籤還包含一個被動收發器，在接近「閱讀器」的時候，由閱讀器發出的很強的RF信號就會被標籤識別。閱讀器和標籤的天線都是環形天線，相當於變壓器的初級和次級。

由標籤識別的信號經過整流濾波轉換成直流，為標籤存儲和轉發供能。發射器將代碼發送到閱讀器上，用於識別和處理。主動標籤有時會用到電池，將感應距離延長到近場以外的地方。RIFD標籤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 33.33 cm

因此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，所以這一頻率下距離實際上也延伸到了遠場。

NFC也採用了存儲和類似於信用卡的特定代碼。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

因為電量消耗低，實際的感應距離很少超過1英尺。

NFC是部署「電子錢包」所使用的技術。通過電子錢包，消費者可以無需信用卡，而用支持NFC的智慧型手機進行付款。

參考資料

1. Cheung, W. S. and Levien, F. H., Microwaves Made Simple, Principles and Applications, Artech House Inc., 1985.
Cheung, W. S. 和Levien, F. H.，微波測量原理和應用，Artech出版社，1985
2. Occupational Safety & Health Administration, Electromagnetic Radiation: Field Memo, 1990.
職業安全與健康管理，電磁輻射：現場筆記，1990
3. Straw, R. D. (Editor), The ARRL Antenna Book, American Radio Relay League, 1997-8.
Straw R. D. (編輯)，天線手冊，美國無線電傳播聯盟，1997-8
4. Volakis, J.L., Antenna Engineering Handbook, 4th edition, McGraw-Hill, 2007.
Vokakis,J.L.,天線工程手冊，第四版，McGraw-Hill出版社，2007