المجال القريب والبعيد

جزء من سلسلة عن
الهوائيات
أنواع شائعة ثنائي القطب كسورية حلقة احادي القطب طبق القمر الصناعي تلفزيون سوط
عناصر بالون محول كتلة كابل محوري موازنة (نظام الأرض) يٌطعم خط التغذية محول خفض الضوضاء المنخفض مشع سلبي المتلقي محور دوار كعب جهاز الإرسال الموالف الرصاص المزدوج
الأنظمة مزرعة الهوائيات راديو الهواة الشبكة الخلوية نقطة اتصال الشبكة اللاسلكية البلدية راديو أبراج وأبراج الراديو واي فاي لاسلكي
السلامة والتنظيم إشعاعات الأجهزة اللاسلكية والصحة الأجهزة الإلكترونية اللاسلكية والصحة الاتحاد الدولي للاتصالات ( لوائح الراديو ) المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية
مصادر الإشعاع/المناطق خط البصر السحابة البؤرية مستوى الارض الفص الرئيسي المجال القريب والبعيد الفص الجانبي المستوى العمودي
صفات كسب المصفوفة الاتجاهية كفاءة الطول الكهربائي نصف القطر المكافئ عامل معادلة انتقال فريس يكسب ارتفاع نمط الإشعاع مقاومة الإشعاع انتشار الراديو طيف الراديو نسبة الإشارة إلى الضوضاء انبعاث زائف
التقنيات توجيه الشعاع إمالة الشعاع تشكيل الشعاع خلية صغيرة مختبرات بيل للزمكان الطبقي (BLAST) نظام الإدخال المتعدد والمخرجات المتعدد الضخم (MIMO) إعادة التكوين طيف الانتشار الوصول المتعدد بتقسيم المساحة عريض النطاق (WSDMA)
ف ت هـ

المجال القريب والمجال البعيد هما منطقتان من المجال الكهرومغناطيسي حول جسم ما، مثل هوائي الإرسال ، أو نتيجة لتشتت الإشعاع عن جسم ما. تهيمن سلوكيات المجال القريب غير الإشعاعي بالقرب من الهوائي أو المبعثر، بينما تسود سلوكيات المجال البعيد للإشعاع الكهرومغناطيسي على مسافات أكبر.

تنخفض قوى مجال الإشعاع البعيد E (الكهربائي) و B (المغناطيسي) مع زيادة المسافة من المصدر، مما يؤدي إلى قانون التربيع العكسي لشدة طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي في الإشارة المرسلة. وعلى النقيض من ذلك، تنخفض قوى المجال القريب E و B بسرعة أكبر مع المسافة: ينخفض ​​المجال الإشعاعي بمقدار مربع المسافة العكسية ، وينخفض ​​المجال التفاعلي بمقدار قانون المكعب العكسي ، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة في أجزاء المجال الكهربائي بمقدار قوة رابعة وقوة سادسة عكسية على التوالي. يضمن الانخفاض السريع في الطاقة الموجودة في المجال القريب أن التأثيرات الناجمة عن المجال القريب تتلاشى بشكل أساسي على بعد بضعة أطوال موجية من الجزء المشع للهوائي، وعلى العكس من ذلك يضمن أنه على مسافات جزء صغير من الطول الموجي من الهوائي، تطغى تأثيرات المجال القريب على المجال البعيد المشع.

في الهوائي الذي يعمل بشكل طبيعي، لا توجد وسيلة للشحنات الموجبة والسالبة لمغادرة سطح المعدن، ويتم فصلها عن بعضها البعض بواسطة جهد "إشارة" الإثارة (جهاز إرسال أو أي جهد إثارة كهرومغناطيسي آخر). وهذا يولد ثنائي قطب كهربائي متذبذب (أو معكوس)، مما يؤثر على كل من المجال القريب والمجال البعيد.

إن الحدود بين مناطق المجال القريب والمجال البعيد غير محددة بشكل واضح، وهي تعتمد على الطول الموجي السائد ( λ ) المنبعث من المصدر وحجم العنصر المشع.

يشير المجال القريب إلى الأماكن القريبة من موصلات الهوائي، أو داخل أي وسط قابل للاستقطاب يحيط به، حيث يمكن التداخل مع توليد وانبعاث الموجات الكهرومغناطيسية بينما تظل خطوط المجال متصلة كهربائيًا بالهوائي، وبالتالي فإن امتصاص الإشعاع في المجال القريب بواسطة الأجسام الموصلة المجاورة يؤثر بشكل ملحوظ على التحميل على مولد الإشارة (الناقل). يمكن أن يوجد المجالان الكهربائي والمغناطيسي بشكل مستقل عن بعضهما البعض في المجال القريب، ويمكن أن يكون أحد نوعي المجال أكبر بشكل غير متناسب من الآخر، في مناطق فرعية مختلفة.

من الأمثلة السهلة الملاحظة لتأثير المجال القريب تغير مستويات الضوضاء التي تلتقطها مجموعة من هوائيات التلفاز ذات الأذن الأرنبية عندما يتم تحريك جزء من جسم الإنسان بالقرب من "الأذنين". وعلى نحو مماثل، يتغير جودة الصوت في محطة راديو FM مضبوطة على محطة بعيدة عندما يتجول شخص ما في المنطقة على بعد ذراع من هوائيها.

يخضع المجال القريب لحقول من نوع متعدد الأقطاب ، والتي يمكن اعتبارها مجموعات من ثنائيات الأقطاب ذات علاقة طور ثابتة . الغرض العام من الهوائيات التقليدية هو الاتصال لاسلكيًا عبر مسافات طويلة، وحتى في حقولها البعيدة، ولحسابات الإشعاع والاستقبال للعديد من الهوائيات البسيطة، يمكن تجاهل معظم التأثيرات المعقدة في المجال القريب بسهولة.

يمكن أن يتسبب التفاعل مع الوسط (مثل سعة الجسم) في انحراف الطاقة مرة أخرى إلى المصدر الذي يغذي الهوائي، كما يحدث في المجال القريب التفاعلي . تقع هذه المنطقة تقريبًا ضمن1/6من طول موجة سطح الهوائي الأقرب.

لقد اكتسب المجال القريب اهتمامًا متزايدًا، وخاصة في تطوير تقنيات الاستشعار السعوي مثل تلك المستخدمة في شاشات اللمس للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية. وعلى الرغم من أن المجال البعيد هو المنطقة المعتادة لوظيفة الهوائي، إلا أن هناك أجهزة معينة تسمى هوائيات ولكنها متخصصة في الاتصالات في المجال القريب . ويمكن اعتبار الحث المغناطيسي كما يُرى في المحول مثالاً بسيطًا للغاية لهذا النوع من التفاعل الكهرومغناطيسي في المجال القريب. على سبيل المثال، ملفات الإرسال / الاستقبال لـ RFID ، وملفات الانبعاث للشحن اللاسلكي والتدفئة الاستقرائية ؛ ومع ذلك فإن تصنيفها الفني على أنها "هوائيات" مثير للجدل.

قد يفشل التفاعل مع الوسط في إعادة الطاقة إلى المصدر، لكنه يسبب تشوهًا في الموجة الكهرومغناطيسية التي تنحرف بشكل كبير عن تلك الموجودة في الفضاء الحر، وهذا يشير إلى منطقة المجال القريب الإشعاعي ، والتي تكون أبعد إلى حد ما. يمكن وضع عناصر عاكسة سلبية في هذه المنطقة لغرض تشكيل الشعاع، كما هو الحال مع هوائي Yagi-Uda . بدلاً من ذلك، يمكن أيضًا دمج عناصر نشطة متعددة لتشكيل مجموعة هوائيات، حيث يصبح شكل الفص عاملاً في مسافات العناصر ومرحلة الإثارة.

تُعرَّف منطقة وسيطة أخرى، تُسمى منطقة الانتقال ، على أساس مختلف إلى حد ما، ألا وهو هندسة الهوائي وطول موجة الإثارة. وهي تبعد مسافة طول موجي واحد تقريبًا عن الهوائي، وهي المكان الذي تتوازن فيه الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للموجات المشعة أولاً: يكتسب المجال الكهربائي للهوائي الخطي مجاله المغناطيسي المقابل، ويكتسب المجال المغناطيسي للهوائي الحلقي مجاله الكهربائي. ويمكن اعتبارها إما الجزء الأبعد من المجال القريب، أو الجزء الأقرب من المجال البعيد. ومن وراء هذه النقطة تصبح الموجة الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار. وتتناسب أجزاء المجال الكهربائي والمغناطيسي للموجة مع بعضها البعض بنسبة تحددها المعاوقة المميزة للوسط الذي تنتشر الموجة من خلاله.

في المقابل، فإن المجال البعيد هو المنطقة التي استقر فيها المجال في الإشعاع الكهرومغناطيسي "العادي" . في هذه المنطقة، تهيمن عليها المجالات الكهربائية أو المغناطيسية المستعرضة ذات خصائص ثنائي القطب الكهربائي . في منطقة المجال البعيد للهوائي، تقل الطاقة المشعة مع مربع المسافة ، ولا يتم تغذية امتصاص الإشعاع مرة أخرى إلى المرسل.

في منطقة المجال البعيد، يتم "إنتاج" كل جزء من الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للحقل الكهرومغناطيسي بواسطة (أو يرتبط بـ) تغيير في الجزء الآخر، ونسبة شدة المجال الكهربائي والمغناطيسي هي ببساطة معاوقة الموجة في الوسط.

تُعرف أيضًا باسم منطقة الإشعاع ، يحمل المجال البعيد نمط موجة موحد نسبيًا. منطقة الإشعاع مهمة لأن المجالات البعيدة بشكل عام تتناقص في السعة بمقدار وهذا يعني أن إجمالي الطاقة لكل وحدة مساحة على مسافة r يتناسب مع مساحة الكرة يتناسب مع ، وبالتالي فإن إجمالي الطاقة المارة عبر الكرة ثابت. وهذا يعني أن طاقة المجال البعيد تهرب بالفعل إلى مسافة لا نهائية (تشع ) . ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r}}\ .}$${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r^{2}}}\ .}$${\displaystyle r^{2}}$

إن فصل المجالين الكهربائي والمغناطيسي إلى مكونات هو أمر رياضي وليس فيزيائيًا واضحًا، ويستند إلى المعدلات النسبية التي تتضاءل بها سعة المصطلحات المختلفة لمعادلات المجال الكهربائي والمغناطيسي مع زيادة المسافة من العنصر المشع. تنخفض سعة مكونات المجال البعيد مع انخفاض سعة المجال القريب الإشعاعي مع انخفاض سعة المجال القريب التفاعلي مع انخفاض سعة المجال القريب التفاعلي مع انخفاض . ^[أ] تحاول تعريفات المناطق تحديد المواقع التي يكون فيها نشاط مكونات المجال المرتبطة هو الأقوى. من الناحية الرياضية، يكون التمييز بين مكونات المجال واضحًا للغاية، لكن ترسيم مناطق المجال المكاني أمر شخصي. تتداخل جميع مكونات المجال في كل مكان، لذلك على سبيل المثال، توجد دائمًا مكونات مجال قريب ومجال بعيد إشعاعي كبيرة في المنطقة التفاعلية الأقرب في المجال القريب. ${\displaystyle 1/r}$${\displaystyle 1/r^{2}}$${\displaystyle 1/r^{3}}$

تصنف المناطق المحددة أدناه سلوكيات المجال المتغيرة، حتى داخل المنطقة المعنية. وبالتالي، فإن حدود هذه المناطق هي قواعد تقريبية ، حيث لا توجد حدود دقيقة بينها: جميع التغييرات السلوكية مع المسافة هي تغييرات سلسة. حتى عندما يمكن تحديد حدود دقيقة في بعض الحالات، بناءً على نوع الهوائي وحجمه في المقام الأول، فقد يختلف الخبراء في استخدامهم للتسمية لوصف المناطق. وبسبب هذه الفروق الدقيقة، يجب توخي عناية خاصة عند تفسير الأدبيات الفنية التي تناقش مناطق المجال البعيد والحقل القريب.

مصطلح منطقة المجال القريب (المعروف أيضًا باسم المجال القريب أو المنطقة القريبة ) له المعاني التالية فيما يتعلق بتقنيات الاتصالات المختلفة :

• المنطقة القريبة من الهوائي حيث يعتمد توزيع المجال الزاوي على المسافة من الهوائي.
• في دراسة حيود وتصميم الهوائيات، يكون المجال القريب هو ذلك الجزء من المجال المشع الذي يقع أسفل مسافات أقصر من مسافة فراونهوفر ، ^[1] والتي يتم تحديدها بواسطة من مصدر الحافة الحيودية أو الهوائي بطول أو قطر D.${\displaystyle d_{\text{F}}={\frac {2D^{2}}{\lambda }}}$
• في اتصالات الألياف الضوئية ، المنطقة القريبة من المصدر أو الفتحة التي تكون أقرب من طول رايلي . (بافتراض شعاع غاوسي، وهو مناسب للألياف الضوئية.)

الممارسة الأكثر ملاءمة هي تحديد حجم المناطق أو المناطق من حيث الأعداد الثابتة (الكسور) من الأطوال الموجية البعيدة عن مركز الجزء المشع من الهوائي، مع الفهم الواضح أن القيم المختارة تقريبية فقط وستكون غير مناسبة إلى حد ما للهوائيات المختلفة في بيئات مختلفة. يعتمد اختيار أرقام القطع على القوى النسبية لسعة مكونات المجال التي تُرى عادةً في الممارسة العادية.

بالنسبة للهوائيات التي يقل طولها عن نصف طول الموجة للإشعاع الذي تصدره (أي الهوائيات "القصيرة" كهرومغناطيسيًا)، يتم قياس الحدود الإقليمية البعيدة والقريبة من حيث نسبة بسيطة للمسافة r من مصدر الإشعاع إلى الطول الموجي λ للإشعاع. بالنسبة لمثل هذا الهوائي، يكون المجال القريب هو المنطقة داخل نصف القطر r ≪ λ ، بينما يكون المجال البعيد هو المنطقة التي يكون فيها r ≫ 2 λ . منطقة الانتقال هي المنطقة بين r = λ و r = 2 λ  .

لا يعد طول الهوائي، D ، مهمًا، والتقريب هو نفسه لجميع الهوائيات الأقصر (والتي يتم تحسينها أحيانًا على أنها ما يسمى بالهوائيات النقطية ). في جميع هذه الهوائيات، يعني الطول القصير أن الشحنات والتيارات في كل قسم فرعي من الهوائي هي نفسها في أي وقت معين، حيث أن الهوائي قصير جدًا بحيث لا يمكن عكس جهد جهاز إرسال التردد اللاسلكي قبل الشعور بتأثيراته على الشحنات والتيارات على طول الهوائي بالكامل.

بالنسبة للهوائيات التي يزيد طولها فعليًا عن نصف الطول الموجي للإشعاع الذي تصدره، يتم تعريف المجالات القريبة والبعيدة من حيث مسافة فراونهوفر . سميت على اسم جوزيف فون فراونهوفر ، تعطي الصيغة التالية مسافة فراونهوفر :

$${\displaystyle d_{\text{F}}\;=\;{\frac {2D^{2}}{\lambda }}\,,}$$

حيث D هو أكبر بُعد للمشع (أو قطر الهوائي ) و λ هو الطول الموجي للموجة الراديوية . أي من العلاقتين التاليتين متكافئتان، مع التأكيد على حجم المنطقة من حيث الأطوال الموجية λ أو الأقطار D :

$${\displaystyle d_{\text{F}}\;=\;2{\left({D \over \lambda }\right)}^{2}\lambda \;=\;2{\left({D \over \lambda }\right)}D}$$

توفر هذه المسافة الحد الفاصل بين المجال القريب والبعيد. يتوافق المعامل D مع الطول المادي للهوائي، أو قطر هوائي العاكس ("الطبق").

يؤدي وجود هوائي أطول كهرومغناطيسيًا من نصف الطول الموجي السائد المنبعث إلى إطالة تأثيرات المجال القريب بشكل كبير، وخاصة تلك الخاصة بالهوائيات المركزة. وعلى العكس من ذلك، عندما يصدر هوائي معين إشعاعًا عالي التردد، فسيكون له منطقة مجال قريب أكبر مما قد يعنيه التردد المنخفض (أي الطول الموجي الأطول).

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تلبي مسافة المجال البعيد d _F هذين الشرطين. ^{[2] [ يحتاج إلى توضيح ]}

$${\displaystyle d_{\text{F}}\gg D\,}$$

$${\displaystyle d_{\text{F}}\gg \lambda \,}$$

حيث D هو أكبر بعد خطي فيزيائي للهوائي و d _F هي مسافة المجال البعيد. مسافة المجال البعيد هي المسافة من هوائي الإرسال إلى بداية منطقة فراونهوفر، أو المجال البعيد.

^إن منطقة الانتقال بين منطقتي المجال القريب والبعيد، والتي تمتد على مسافة من طول موجي واحد إلى طولين موجيين من الهوائي، ^{هي المنطقة الوسيطة} التي تكون فيها تأثيرات المجال القريب والبعيد مهمة. وفي هذه المنطقة، يتلاشى سلوك المجال القريب ويتوقف عن كونه مهمًا، تاركًا تأثيرات المجال البعيد كتفاعلات مهيمنة. (انظر صورة "المجال البعيد" أعلاه).

فيما يتعلق بمصادر الموجات الصوتية، إذا كان المصدر له أقصى بعد كلي أو عرض فتحة ( D ) كبير مقارنة بطول الموجة λ ، فمن الشائع أن يُعتقد أن منطقة المجال البعيد موجودة على مسافات، عندما تكون معامل فرينل أكبر من 1: ^[3]${\displaystyle S}$

$${\displaystyle S={4\lambda \over D^{2}}r>1,{\text{ for }}r>r_{\text{F}}={D^{2} \over 4\lambda }.}$$

بالنسبة للحزمة الموجهة نحو اللانهاية، يشار أحيانًا إلى منطقة المجال البعيد باسم منطقة فراونهوفر . المرادفات الأخرى هي المجال البعيد والمنطقة البعيدة وحقل الإشعاع . يتكون أي إشعاع كهرومغناطيسي من مكون مجال كهربائي E ومكون مجال مغناطيسي H. في المجال البعيد، تكون العلاقة بين مكون المجال الكهربائي E والمكون المغناطيسي H هي تلك الخاصة بأي موجة تنتشر بحرية، حيث يكون لـ E و H مقداران متساويان في أي نقطة في الفضاء (حيث يتم قياسهما بوحدات حيث c = 1).

على النقيض من المجال البعيد، يختلف نمط الانعراج في المجال القريب بشكل كبير عن ذلك الذي يُلاحظ عند اللانهاية ويتغير مع المسافة من المصدر. في المجال القريب، تصبح العلاقة بين E و H معقدة للغاية. أيضًا، على عكس المجال البعيد حيث تتميز الموجات الكهرومغناطيسية عادةً بنوع استقطاب واحد (أفقي أو رأسي أو دائري أو بيضاوي)، يمكن أن تكون جميع أنواع الاستقطاب الأربعة موجودة في المجال القريب. ^[4]

المجال القريب هو منطقة توجد فيها تأثيرات حثية وسعوية قوية من التيارات والشحنات في الهوائي والتي تسبب مكونات كهرومغناطيسية لا تتصرف مثل إشعاع المجال البعيد. تقل قوة هذه التأثيرات بسرعة أكبر بكثير مع المسافة مقارنة بتأثيرات إشعاع المجال البعيد. تخمد المجالات غير المنتشرة (أو المتلاشية) بسرعة كبيرة مع المسافة، مما يجعل تأثيراتها محسوسة حصريًا تقريبًا في منطقة المجال القريب.

كذلك، في الجزء من المجال القريب الأقرب إلى الهوائي (يُسمى المجال القريب التفاعلي ، انظر أدناه)، فإن امتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية في المنطقة بواسطة جهاز ثانٍ له تأثيرات تتغذى على المرسل، مما يزيد من الحمل على المرسل الذي يغذي الهوائي عن طريق تقليل معاوقة الهوائي التي "يراها" المرسل. وبالتالي، يمكن للمرسل أن يستشعر متى يتم امتصاص الطاقة في أقرب منطقة مجال قريب (بواسطة هوائي ثانٍ أو أي جسم آخر) ويضطر إلى توفير طاقة إضافية لهوائيه، وسحب طاقة إضافية من مصدر الطاقة الخاص به، بينما إذا لم يتم امتصاص أي طاقة هناك، فلن يضطر المرسل إلى توفير طاقة إضافية.

ينقسم المجال القريب نفسه إلى مجال قريب تفاعلي وحقل قريب إشعاعي . كما أن تسميات المجال القريب التفاعلي والإشعاعي هي أيضًا دالة على الطول الموجي (أو المسافة). ومع ذلك، فإن مناطق الحدود هذه هي جزء من طول موجي واحد داخل المجال القريب. يُعتبر الحد الخارجي لمنطقة المجال القريب التفاعلي عادةً مسافة أضعاف الطول الموجي (أي، أو ما يقرب من 0.159λ ) من سطح الهوائي. يُطلق على المجال القريب التفاعلي أيضًا المجال القريب الحثي . يغطي المجال القريب الإشعاعي (يُطلق عليه أيضًا منطقة فرينل ) بقية منطقة المجال القريب، من الخارج إلى مسافة فراونهوفر. ^[4]${\textstyle {\frac {1}{2\pi }}}$${\textstyle {\frac {\lambda }{2\pi }}}$${\textstyle {\frac {\lambda }{2\pi }}}$

في المجال القريب التفاعلي (قريب جدًا من الهوائي)، غالبًا ما تكون العلاقة بين قوى المجالين E و H معقدة للغاية بحيث لا يمكن التنبؤ بها بسهولة، ويصعب قياسها. قد يهيمن أي من مكونات المجال ( E أو H ) عند نقطة واحدة، وتهيمن العلاقة المعاكسة عند نقطة على مسافة قصيرة فقط. هذا يجعل العثور على كثافة القدرة الحقيقية في هذه المنطقة أمرًا إشكاليًا. وذلك لأنه لحساب القدرة، لا يتعين قياس كل من E و H فحسب، بل يجب أيضًا معرفة العلاقة الطورية بين E و H وكذلك الزاوية بين المتجهين في كل نقطة من الفضاء. ^[4]

في هذه المنطقة التفاعلية، لا يتم إشعاع موجة كهرومغناطيسية إلى الفضاء البعيد فحسب، بل يوجد أيضًا مكون تفاعلي للمجال الكهرومغناطيسي، مما يعني أن قوة واتجاه وطور المجالات الكهربائية والمغناطيسية حول الهوائي حساسة لامتصاص وإعادة انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية في هذه المنطقة، وتستجيب لها. على النقيض من ذلك، فإن الامتصاص بعيدًا عن الهوائي له تأثير ضئيل على المجالات القريبة من الهوائي، ولا يسبب أي رد فعل عكسي في جهاز الإرسال.

بالقرب من الهوائي، في المنطقة التفاعلية، يتم احتجاز طاقة مقدار معين، إذا لم يمتصها جهاز الاستقبال، وتخزينها بالقرب من سطح الهوائي. يتم نقل هذه الطاقة ذهابًا وإيابًا من الهوائي إلى المجال القريب التفاعلي بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي من النوع الذي يغير ببطء التأثيرات الكهروستاتيكية والمغناطيسية الساكنة. على سبيل المثال، يخلق التيار المتدفق في الهوائي مكونًا مغناطيسيًا بحتًا في المجال القريب، والذي ينهار بعد ذلك عندما يبدأ تيار الهوائي في الانعكاس، مما يتسبب في نقل طاقة المجال المغناطيسي مرة أخرى إلى الإلكترونات في الهوائي حيث يتسبب المجال المغناطيسي المتغير في تأثير حثي ذاتي على الهوائي الذي ولّده. هذا يعيد الطاقة إلى الهوائي بطريقة متجددة، بحيث لا تضيع. تحدث عملية مماثلة عندما تتراكم الشحنة الكهربائية في قسم واحد من الهوائي تحت ضغط جهد الإشارة، وتسبب مجالًا كهربائيًا محليًا حول ذلك القسم من الهوائي، بسبب السعة الذاتية للهوائي . عندما تنعكس الإشارة بحيث يُسمح للشحنة بالتدفق بعيدًا عن هذه المنطقة مرة أخرى، يساعد المجال الكهربائي المتراكم في دفع الإلكترونات إلى الخلف في الاتجاه الجديد لتدفقها، كما هو الحال مع تفريغ أي مكثف أحادي القطب. وهذا ينقل الطاقة مرة أخرى إلى تيار الهوائي.

وبسبب تأثير تخزين الطاقة وإعادتها، فإذا نقل أي من التأثيرات الاستقرائية أو الكهروستاتيكية في المجال القريب التفاعلي أي طاقة مجال إلى الإلكترونات في موصل مختلف (قريب)، فإن هذه الطاقة تضيع في الهوائي الأساسي. وعندما يحدث هذا، يُرى استنزاف إضافي في جهاز الإرسال، نتيجة لطاقة المجال القريب التفاعلية التي لا يتم إرجاعها. ويظهر هذا التأثير على هيئة معاوقة مختلفة في الهوائي، كما يراها جهاز الإرسال.

يمكن أن يعطي المكون التفاعلي للحقل القريب نتائج غامضة أو غير محددة عند محاولة إجراء القياسات في هذه المنطقة. في مناطق أخرى، تكون كثافة الطاقة متناسبة عكسياً مع مربع المسافة من الهوائي. ومع ذلك، في المناطق القريبة جدًا من الهوائي، يمكن أن يرتفع مستوى الطاقة بشكل كبير مع انخفاض بسيط فقط في المسافة نحو الهوائي. يمكن أن تؤثر هذه الطاقة سلبًا على كل من البشر ومعدات القياس بسبب القوى العالية المعنية. ^[4]

لا يحتوي المجال القريب الإشعاعي (يُطلق عليه أحيانًا منطقة فرينل ) على مكونات مجال تفاعلي من هوائي المصدر، لأنه بعيد بما يكفي عن الهوائي بحيث يصبح الاقتران الخلفي للحقول خارج الطور مع إشارة الهوائي، وبالتالي لا يمكنه إرجاع الطاقة الحثية أو السعوية بكفاءة من تيارات الهوائي أو شحناته. وبالتالي فإن الطاقة في المجال القريب الإشعاعي هي طاقة مشعة بالكامل ، على الرغم من أن خليطها من المكونات المغناطيسية والكهربائية لا يزال مختلفًا عن المجال البعيد. أبعد في المجال القريب الإشعاعي (نصف طول موجي إلى طول موجي واحد من المصدر)، تكون علاقة المجالين E و H أكثر قابلية للتنبؤ، لكن علاقة E إلى H لا تزال معقدة. ومع ذلك، نظرًا لأن المجال القريب الإشعاعي لا يزال جزءًا من المجال القريب، فهناك احتمال لحدوث ظروف غير متوقعة (أو معاكسة).

على سبيل المثال، يمكن للأجسام المعدنية مثل العوارض الفولاذية أن تعمل كهوائيات من خلال استقبال بعض الطاقة في المجال القريب الإشعاعي بشكل استقرائي ثم "إعادة إشعاعها"، لتكوين سطح إشعاعي جديد للنظر فيه. واعتمادًا على خصائص الهوائي والترددات، قد يكون هذا الاقتران أكثر كفاءة بكثير من الاستقبال الهوائي البسيط في المجال البعيد الأبعد، وبالتالي قد يتم نقل قدر أكبر من الطاقة إلى "الهوائي" الثانوي في هذه المنطقة مقارنة بالهوائي الأكثر بعدًا. وعندما يتم تنشيط سطح هوائي إشعاعي ثانوي بهذه الطريقة، فإنه ينشئ بعد ذلك مناطق المجال القريب الخاصة به، ولكن تنطبق عليها نفس الظروف. ^[4]

يتميز المجال القريب بقدرته على إعادة إنتاج الحث الكهرومغناطيسي الكلاسيكي وتأثيرات الشحنة الكهربائية على المجال الكهرومغناطيسي، مما يؤثر على "الانطفاء" مع زيادة المسافة من الهوائي: إن مكون المجال المغناطيسي الذي يكون في تربيع الطور للحقول الكهربائية يتناسب طرديًا مع المكعب العكسي للمسافة ( ) وقوة المجال الكهربائي تتناسب طرديًا مع التربيع العكسي للمسافة ( ). يكون هذا الانحدار أسرع بكثير من المجال البعيد المشع الكلاسيكي ( الحقول E و B ، والتي تتناسب طرديًا مع المسافة العكسية البسيطة ( ). عادةً ما لا تكون تأثيرات المجال القريب مهمة على مسافة أبعد من بضعة أطوال موجية للهوائي. ${\displaystyle 1/r^{3}}$${\displaystyle 1/r^{2}}$${\displaystyle 1/r}$

تتضمن تأثيرات المجال القريب الأكثر بعدًا أيضًا تأثيرات نقل الطاقة التي تقترن مباشرة بأجهزة الاستقبال بالقرب من الهوائي، مما يؤثر على خرج الطاقة لجهاز الإرسال إذا اقترن، ولكن ليس بخلاف ذلك. بمعنى ما، يوفر المجال القريب طاقة متاحة لجهاز الاستقبال فقط إذا تم استغلال الطاقة، ويستشعرها جهاز الإرسال عن طريق الاستجابة للحقول القريبة الكهرومغناطيسية المنبعثة من جهاز الاستقبال. مرة أخرى، هذا هو نفس المبدأ الذي ينطبق في الأجهزة المقترنة بالحث ، مثل المحول ، الذي يسحب المزيد من الطاقة في الدائرة الأولية، إذا تم سحب الطاقة من الدائرة الثانوية. وهذا يختلف عن المجال البعيد، الذي يسحب باستمرار نفس الطاقة من جهاز الإرسال، سواء تم استقبالها على الفور أم لا.

قد تكون سعة المكونات الأخرى (غير الإشعاعية/غير ثنائية القطب) للحقل الكهرومغناطيسي القريب من الهوائي قوية جدًا، ولكن نظرًا لانخفاضها السريع مع المسافة مقارنة بالسلوك، فإنها لا تشع الطاقة لمسافات لا نهائية. وبدلاً من ذلك، تظل طاقاتها محاصرة في المنطقة القريبة من الهوائي، ولا تسحب الطاقة من المرسل ما لم تثير مستقبلًا في المنطقة القريبة من الهوائي. وبالتالي، فإن المجالات القريبة تنقل الطاقة فقط إلى مستقبلات قريبة جدًا، وعندما تفعل ذلك، فإن النتيجة تكون بمثابة سحب طاقة إضافي في المرسل. وكمثال على مثل هذا التأثير، يتم نقل الطاقة عبر الفضاء في محول مشترك أو كاشف معادن عن طريق ظاهرة المجال القريب (في هذه الحالة الاقتران الاستقرائي )، في تأثير قصير المدى تمامًا (أي النطاق ضمن طول موجي واحد للإشارة). ${\displaystyle 1/r}$

يؤدي حل معادلات ماكسويل للحقول الكهربائية والمغناطيسية لمصدر تذبذب موضعي، مثل الهوائي، محاط بمادة متجانسة (عادةً الفراغ أو الهواء ) ، إلى حقول تتلاشى بعيدًا بما يتناسب مع المسافة من المصدر r . هذه هي الحقول المشعة، والمنطقة التي تكون فيها r كبيرة بما يكفي لهيمنة هذه الحقول هي الحقل البعيد. ${\displaystyle 1/r}$

بشكل عام، يمكن كتابة حقول المصدر في وسط متساوي الخواص متجانس على هيئة توسع متعدد الأقطاب . ^[5] المصطلحات في هذا التوسع هي التوافقيات الكروية (التي تعطي الاعتماد الزاوي) مضروبة في دوال بيسل الكروية (التي تعطي الاعتماد الشعاعي). بالنسبة لـ r الأكبر ، تتلاشى دوال بيسل الكروية على هيئة ، مما يعطي المجال المشع أعلاه. كلما اقترب المرء أكثر فأكثر من المصدر ( r الأصغر )، واقترب من المجال القريب، تصبح القوى الأخرى لـ r مهمة. ${\displaystyle 1/r}$

المصطلح التالي الذي يصبح مهمًا يتناسب مع ويُسمى أحيانًا مصطلح الاستقراء . ^[6] يمكن اعتباره الطاقة المغناطيسية الأساسية المخزنة في المجال، والتي تُعاد إلى الهوائي في كل نصف دورة، من خلال الاستقراء الذاتي. بالنسبة لـ r الأصغر ، تصبح المصطلحات المتناسبة مهمة؛ يُطلق على هذا أحيانًا مصطلح المجال الكهروستاتيكي ويمكن اعتباره نابعًا من الشحنة الكهربائية في عنصر الهوائي. ${\displaystyle 1/r^{2}}$${\displaystyle 1/r^{3}}$

في المجال القريب جدًا من المصدر، يكون التوسع متعدد الأقطاب أقل فائدة (هناك حاجة إلى الكثير من المصطلحات لوصف دقيق للحقول). بدلاً من ذلك، في المجال القريب، من المفيد أحيانًا التعبير عن المساهمات كمجموع للحقول المشعة جنبًا إلى جنب مع الحقول المتلاشية ، حيث تتلاشى الأخيرة بشكل كبير مع r . وفي المصدر نفسه، أو بمجرد دخول المرء إلى منطقة من المواد غير المتجانسة، لم يعد التوسع متعدد الأقطاب صالحًا وعادةً ما يكون الحل الكامل لمعادلات ماكسويل مطلوبًا.

إذا تم تطبيق تيار كهربائي متذبذب على بنية موصلة من نوع ما، فستظهر مجالات كهربائية ومغناطيسية في الفضاء حول تلك البنية. إذا فقدت تلك المجالات بسبب موجة فضائية منتشرة، فغالبًا ما يُطلق على البنية اسم هوائي. يمكن أن يكون هذا الهوائي عبارة عن مجموعة من الموصلات في الفضاء كما هو الحال في الأجهزة الراديوية أو يمكن أن يكون فتحة ذات توزيع تيار معين تشع في الفضاء كما هو الحال في أجهزة الميكروويف أو الأجهزة البصرية . عادة ما تكون القيم الفعلية للمجالات في الفضاء حول الهوائي معقدة للغاية ويمكن أن تختلف باختلاف المسافة من الهوائي بطرق مختلفة.

ومع ذلك، في العديد من التطبيقات العملية، لا يهتم المرء إلا بالتأثيرات حيث تكون المسافة من الهوائي إلى المراقب أكبر بكثير من أكبر أبعاد الهوائي المرسل. يمكن تبسيط المعادلات التي تصف المجالات التي تم إنشاؤها حول الهوائي من خلال افتراض فصل كبير وإسقاط جميع المصطلحات التي تقدم مساهمات طفيفة فقط في المجال النهائي. تم تسمية هذه التوزيعات المبسطة "المجال البعيد" وعادة ما يكون لها الخاصية التي مفادها أن التوزيع الزاوي للطاقة لا يتغير مع المسافة، على الرغم من أن مستويات الطاقة لا تزال تتغير مع المسافة والوقت. عادة ما يطلق على مثل هذا التوزيع الزاوي للطاقة نمط الهوائي .

لاحظ أنه وفقًا لمبدأ المعاملة بالمثل ، فإن النمط المرصود عندما يرسل هوائي معين يكون مطابقًا للنمط المقاس عند استخدام نفس الهوائي للاستقبال. عادةً ما نجد علاقات بسيطة تصف أنماط المجال البعيد للهوائي، والتي غالبًا ما تنطوي على وظائف مثلثية أو في أسوأ الأحوال علاقات تحويل فورييه أو هانكل بين توزيعات تيار الهوائي وأنماط المجال البعيد المرصودة. في حين أن تبسيطات المجال البعيد مفيدة جدًا في الحسابات الهندسية، فإن هذا لا يعني أنه لا يمكن حساب وظائف المجال القريب، خاصة باستخدام تقنيات الكمبيوتر الحديثة. يمكن أن يعطي فحص كيفية تشكل المجالات القريبة حول بنية الهوائي نظرة ثاقبة كبيرة في عمليات مثل هذه الأجهزة.

إن المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال البعيد للهوائي لا يعتمد على تفاصيل المجال القريب وطبيعة الهوائي. إن معاوقة الموجة هي نسبة قوة المجالين الكهربائي والمغناطيسي، اللذين يكونان في المجال البعيد في طور متزامن مع بعضهما البعض. وبالتالي فإن " معاوقة الفضاء الحر " للمجال البعيد مقاومة وتُعطى بالمعادلة التالية:

$${\displaystyle Z_{0}\mathrel {\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}} {\sqrt {{\frac {\mu _{0}}{\,\varepsilon _{0}\,}}\;}}=\mu _{0}c_{0}={\frac {1}{\,\varepsilon _{0}c_{0}\,}}~.}$$

مع التقريب المعتاد لسرعة الضوء في الفضاء الحر c ₀ ≈ 2.9979 × 10⁸ م/ث، وهذا يعطي التعبير المستخدم بشكل متكرر:

$${\displaystyle Z_{0}\approx \pi \,119.92\ {\mathsf {\Omega }}\approx \pi \,120\ {\mathsf {\Omega }}\approx 377\ {\mathsf {\Omega }}~}$$

إن المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال القريب للهوائي الملفوف كهربائيًا الصغير هو مجال مغناطيسي في الغالب. بالنسبة للقيم الصغيرة لـ ⁠ر/ λ  تكون معاوقة الحلقة المغناطيسية منخفضة وحثية، وفي المدى القصير تكون مقاربة لـ :

$${\displaystyle |Z_{\mathsf {W}}|\approx \pi ^{2}\,240\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {r}{\,\lambda \,}}\approx 2\,370\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {r}{\,\lambda \,}}~.}$$

إن المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال القريب لهوائي قضيب قصير كهربائيًا هو مجال كهربائي في الغالب. بالنسبة للقيم الصغيرة لـر/ λ المقاومة عالية وسعوية، وفي المدى القصير تكون مقاربة لـ:

$${\displaystyle |Z_{\mathsf {W}}|\approx 60\ {\mathsf {\Omega }}\,{\frac {\,\lambda \,}{r}}~.}$$

في كلتا الحالتين، تتقارب معاوقة الموجة مع تلك الموجودة في الفضاء الحر عندما يقترب النطاق من المجال البعيد.

التأثيرات المحلية

• حيود فراونهوفر لمزيد من المعلومات حول المجال البعيد
• حيود فرينل لمزيد من المعلومات حول المجال القريب
• التسخين الاستقرائي للمعادن الحديدية
• الاتصالات في المجال القريب لمزيد من المعلومات حول تكنولوجيا الاتصالات في المجال القريب
• الاتصالات بالحث المغناطيسي في المجال القريب
• فيزياء التصوير بالرنين المغناطيسي
• اقتران حثي رنان لتطبيقات الأجهزة المغناطيسية
• غالبًا ما تعمل تقنية تحديد الهوية بموجات الراديو في المجال القريب، ولكن الأنواع الأحدث من العلامات تنقل موجات الراديو وبالتالي تعمل باستخدام المجال البعيد
• التصوير تحت الطول الموجي
• نقل الطاقة لاسلكيًا لبعض تطبيقات نقل الطاقة

آخر

• يغطي قياس الهوائي نطاقات المجال البعيد (FF) ونطاقات المجال القريب (NF)، المفصولة بمسافة فراونهوفر .
• الموجات الأرضية : أسلوب انتشار
• قانون التربيع العكسي
• محولات التركيز الذاتي ، تسخير التأثير بالموجات الصوتية
• الموجات السماوية : طريقة انتشار

 تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعامة من المعيار الفيدرالي 1037C. إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل في 2022-01-22. (دعمًا لـ MIL-STD-188 ).

 تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعامة من مواقع الويب أو وثائق حكومة الولايات المتحدة . إدارة السلامة والصحة المهنية .

• جورج ف. ليدورف، براءة اختراع أمريكية رقم 3,278,937 ، نظام اقتران الهوائي في المجال القريب. 1966.
• جروسي وآخرون، براءة اختراع أمريكية رقم 3,445,844 ، نظام اتصالات الإشعاع الكهرومغناطيسي المحاصر. 1969.
• براءة اختراع أمريكية رقم 3,461,453 ، تقليل الضوضاء باستخدام هوائي ثنائي الوضع. 1969.
• كوفين وآخرون، براءة اختراع أمريكية رقم 3,662,389 ، تحديد أنماط هوائي المجال البعيد باستخدام قياسات مسبار فرينل. 1972.
• هانسن وآخرون، براءة اختراع أمريكية رقم 3,879,733 ، طريقة وجهاز لتحديد أنماط هوائيات المجال القريب. 1975
• وولف وآخرون، براءة اختراع أمريكية رقم 5,459,405 ، طريقة وجهاز لاستشعار قرب جسم ما باستخدام تأثيرات المجال القريب