Перейти к содержанию

Дальняя зона антенны (far field)

Все привычные формулы радиосвязи — потери в свободном пространстве, усиление антенны, диаграмма направленности — справедливы только вдали от антенны. Вблизи неё поле устроено иначе. Граница, за которой начинается дальняя зона, зависит от размера антенны и длины волны.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Дальняя зона антенны (far field) — область пространства на достаточном удалении от антенны, где излучаемую волну можно считать плоской, а напряжённость поля убывает обратно пропорционально расстоянию. Именно для дальней зоны определены усиление антенны, диаграмма направленности и потери в свободном пространстве. Ближе к антенне лежит ближняя зона, где поле устроено сложнее и сильно зависит от формы антенны и окружающих предметов.

Граница дальней зоны

TI в руководстве по выбору антенн AN058 приводит оценку расстояния дальней зоны:

Rf=2D2λR_f = \frac{2D^2}{\lambda}

где D — наибольший размер антенны, λ — длина волны. Пример: направленная антенна длиной 1 м на 433 МГц (λ ≈ 0,69 м) — дальняя зона начинается примерно с 2,9 м. Именно поэтому, как пишет TI, большие и низкочастотные антенны измеряют на открытых полигонах: в безэховую камеру нужное расстояние не помещается.

ITU-R в рекомендации P.525 формулирует то же иначе: поле обратно пропорционально расстоянию начиная с расстояния, определяемого размером источника и длиной волны.

Поле в дальней зоне

В дальней зоне напряжённость поля выражается через ЭИИМ передатчика:

e=30⋅pde = \frac{\sqrt{30 \cdot p}}{d}

e — действующее значение в В/м, p — ЭИИМ в ваттах, d — расстояние в метрах. Передатчик с ЭИИМ 25 мВт на 100 м создаёт около 8,7 мВ/м.

Практические следствия

  • Измерения антенн — только в дальней зоне и без отражений: AN058 называет оба условия.
  • Испытания на столе. Два модуля в нескольких сантиметрах друг от друга находятся вблизи антенн: формулы дальности там не работают, а антенны влияют друг на друга.
  • Поляризация и диаграмма направленности определены для дальней зоны — см. поляризацию антенны.

О типах антенн — в статье об антеннах.

Частые вопросы

На каком расстоянии от антенны начинается дальняя зона?

По формуле, которую TI приводит в AN058, — с расстояния Rf = 2D²/λ, где D — наибольший размер антенны, λ — длина волны. Для направленной антенны длиной 1 м на 433 МГц (λ ≈ 0,69 м) это около 2,9 м. Для антенн много меньше длины волны формула даёт расстояние меньше самой λ, и её одной недостаточно: ITU-R указывает, что граница зависит и от размера источника, и от длины волны.

Почему нельзя проверять дальность модулей, положив их рядом на стол?

Вблизи антенн поле устроено не так, как в дальней зоне: формулы потерь в свободном пространстве, усиления и диаграммы направленности там неприменимы, а соседние предметы и сама вторая антенна сильно влияют на результат. Кроме того, на малом расстоянии сигнал может перегрузить приёмник. Дальность оценивают расчётом бюджета линии и проверяют на реальных расстояниях.

Как посчитать напряжённость поля от передатчика?

В дальней зоне по формуле ITU-R P.525: e = √(30 · p)/d, где p — ЭИИМ в ваттах, d — расстояние в метрах, e — действующее значение в В/м. Передатчик с ЭИИМ 25 мВт на расстоянии 100 м создаёт поле √(30 · 0,025)/100 ≈ 8,7 мВ/м. Вдвое дальше — вдвое меньше.

Источники

  1. Texas Instruments. AN058 Antenna Selection Guide, SWRA161B — разд. 6.3, измерения в эфире: для точной диаграммы нужно принимать только прямую волну без отражений, поэтому измеряют в безэховой камере; измеряемый сигнал должен быть плоской волной в дальней зоне антенны; расстояние дальней зоны Rf определяется длиной волны λ и наибольшим размером антенны D, Rf = 2D²/λ (ур. 7); из-за ограниченного размера камер большие и низкочастотные антенны измеряют на открытых полигонах
  2. ITU-R. Recommendation P.525-4 (08/2019): Calculation of free-space attenuation — разд. 1, примечание: при распространении в свободном пространстве амплитуда каждого вектора поля в заданном направлении обратно пропорциональна расстоянию от источника начиная с расстояния, определяемого размером источника и длиной волны; разд. 2.1, ур. 1: действующая напряжённость поля e = √(30p)/d, p — ЭИИМ в ваттах, d — расстояние в метрах; ур. 2: e(мВ/м) = 173 · √p(кВт)/d(км)

Нашли ошибку?

Смотрите также