1.4 近场和远场

天线所辐射的空间电磁场，根据特性的不同可划分为3个区域：感应近场、辐射近场和辐射远场，如图1-8所示，它们的区分依靠离开天线的不同距离来限定。在这些场区交界处电磁场的结构并无突变发生，但从总体上来看，3个区域的电磁场特性是互不相同的。

（1）感应近场区。感应近场区指最靠近天线的区域。在此区域内，由于感应场分量占主导地位，其电场和磁场的时间相位差为90°，电磁场的能量是振荡的，不产生辐射。，其中λ为工作波长，D 为天线的最大尺寸。而对于电小尺寸的吸顶天线来说，感应场的外层边界通常采用R1＜λ/2π来限定。通常，感应场的外层边界限定为： R ＜ =R 1

（2）辐射近场区。辐射近场区介乎于感应近场区与辐射远场区之间。在此区域内，与距离的一次方、平方、立方成反比的场分量都占据一定的比例，场的角分布（类似于天线方向图）与离开天线的距离有关，也就是说，在不同的距离上计算出的天线辐射功率空间分布是有差别的。

（3）辐射远场区。辐射近场区之外就是辐射远场区，它是天线实际使用的工作区域。在此区域，场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布（即天线方向图）与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。图1-8中辐射远场区的起始边界通常限定为：R＞R2=2D2/λ。关于这个边界的推导，可以简述如下。图1-9所示为球面波和平面波的趋近关系。

按照三角关系有：

从式（1-7）可得 R2 = D2 8Δ，一般假设l Δ =l λ16以后波面上的相位差就可以忽略，球面波就趋近于平面波了，代入该条件则得到 R2 = 2D2 /λ。

对于电尺寸较小的天线比如吸顶天线来说，D小于波长或者与波长相当，此时，辐射远场区的起始边界通常限定为：R2= 10λ。对于天线隔离度计算中的远场和近场问题，在第7章中会进行专门讨论。

在实际使用中，最感兴趣的是辐射远场区。应该尽可能避免收、发天线处在近场区范围，因为此时不但天线的方向图没有形成，而且在近场范围内的任何导电体甚至介质物体都被看成是天线电磁边界条件的一部分，它影响了原来的天线，和原来的天线一起共同修正和改变了远场的方向图辐射特性，从而影响了实际使用效果。

如图1-8所示，远场区也被称为夫琅禾费区，感应近场区也被称为菲涅尔区，夫琅禾费和菲涅尔都是光学科学家的名字。电磁场学科是较晚发展起来的，很多概念都是从发展较早的学科，比如光学、流体力学借鉴过来的。近场、远场的概念，从历史渊源看，是借用了光学的概念。在移动通信的覆盖区，应当是在远场区，天线工程上的很多概念，比如方向图都是在远场定义的，一些工程师有“近场方向图”的说法，这种说法类似于：射程20m的远程大炮，是不确切的。

夫琅禾费和菲涅尔的生平对于当代科技人员具有启发性。夫琅禾费是德国人，菲涅尔是法国人，二人都由于积劳成疾，在39岁时就去世了，二人生卒时间均差一年。

夫琅禾费（1787—1826），19世纪的德国物理学家，主要贡献集中在光谱学方面。夫琅禾费11岁成为孤儿，在德国巴伐利亚的一家玻璃作坊当学徒。巴伐利亚的侯爵为其提供了书籍和学习的机会。夫琅禾费非常敬业，他在光学科学理论和制造技术上都有重大创新，在他的努力下，巴伐利亚取代英国成为当时光学仪器的制作中心。直到现在，著名的徕卡、蔡司光学镜头仍然是德国制品。有先驱者占先机，福泽绵延上百年。国内有产业界人士羡慕德国企业容易做成长盛不衰的百年老店，长盛不衰是现象，根基深厚才是本质，这种根基不是流传下来的几件专利技术，技术是新陈代谢不断发展的，在很长的历史时期起作用的是敬业、创新的精神和文化氛围。

菲涅尔（1788—1827）是和夫琅禾费同时代的法国光学科学家，菲涅尔对经典光学的波动理论做出了开创性贡献，一般中学物理教材会有所提及。菲涅尔在艰苦的条件下开展研究，依靠微薄的个人收入维持自己的科学研究工作，直到成为法国科学院院士后才偿清因科学研究而欠下的债务。从这个角度看，科学发展一方面在于物质投入，另一方面在于人的精神。只有科学家“志虑忠纯”，将科学视为生命、事业、爱好，而不是单纯获取经济报酬的工具，才能激发强烈的探索精神，获得重大科学发现。

为了进一步说明近场和远场的概念，我们引入波阻抗的概念：将电磁波中电场和磁场的比值称为波阻抗。在均匀介质中，近场区，波阻抗的数值是随到源的距离而变化的，随着到源的距离越来越远，波阻抗趋近于一个常量，我们称之为远场（平面波）的波阻抗Z0，在真空或空气中，这个数值是Z0 =120π，此现象如图1-10所示。

从能量传播的角度看，在近场区，电场和磁场的能量运动形式以转化、振荡为主，没有形成有效的向外辐射；而在远场区，电磁能量有效向外辐射，形成了有效的坡印廷矢量（Poynting Vector）。这个规律类似于方队开拔时前队和后队的状态，如图1-11所示。