المجال القريب والبعيد

يشير مصطلح المجال القريب إلى المناطق المجاورة لموصلات الهوائي، أو داخل أي وسط قابل للاستقطاب يحيط به، حيث يمكن أن تتداخل عملية توليد وانبعاث الموجات الكهرومغناطيسية مع بقاء خطوط المجال متصلة كهربائيًا بالهوائي. وبالتالي، فإن امتصاص الإشعاع في المجال القريب بواسطة الأجسام الموصلة المجاورة يؤثر بشكل ملحوظ على الحمل الواقع على مولد الإشارة (جهاز الإرسال). يمكن أن يوجد المجالان الكهربائي والمغناطيسي بشكل مستقل عن بعضهما البعض في المجال القريب، وقد يكون أحد نوعي المجال أكبر بكثير من الآخر في مناطق فرعية مختلفة.

من الأمثلة الواضحة على تأثير المجال القريب تغير مستويات الضوضاء التي تلتقطها هوائيات التلفزيون الصغيرة عند تقريب جزء من جسم الإنسان منها. كذلك، يتغير مستوى جودة الصوت في راديو FM مضبوط على محطة بعيدة عندما يمشي شخص في محيط الهوائي ضمن مسافة ذراع.

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

تُعرَّف منطقة وسيطة أخرى، تُسمى منطقة الانتقال ، على أساس مختلف نوعًا ما، وهو هندسة الهوائي وطول موجة الإثارة. تقع هذه المنطقة على بُعد طول موجة واحد تقريبًا من الهوائي، وهي النقطة التي يتوازن عندها الجزءان الكهربائي والمغناطيسي للموجات المُشعّة لأول مرة: يكتسب المجال الكهربائي للهوائي الخطي مجاله المغناطيسي المقابل، ويكتسب المجال المغناطيسي للهوائي الحلقي مجاله الكهربائي. يمكن اعتبارها إما الجزء الأبعد من المجال القريب، أو الجزء الأقرب من المجال البعيد. من هذه النقطة فصاعدًا، تصبح الموجة الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار. يتناسب الجزءان الكهربائي والمغناطيسي للموجة تناسبًا طرديًا بنسبة تُحددها المعاوقة المميزة للوسط الذي تنتشر فيه الموجة.

في المقابل، يُمثل المجال البعيد المنطقة التي يستقر فيها المجال على شكل إشعاع كهرومغناطيسي "طبيعي" . في هذه المنطقة، يهيمن عليها مجالات كهربائية أو مغناطيسية مستعرضة ذات خصائص ثنائية القطب الكهربائي . في منطقة المجال البعيد للهوائي، تتناقص القدرة المشعة مع مربع المسافة ، ولا يعود امتصاص الإشعاع إلى جهاز الإرسال.

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

يُعرف المجال البعيد أيضًا باسم منطقة الإشعاع ، ويحمل نمطًا موجيًا منتظمًا نسبيًا. وتكتسب منطقة الإشعاع أهمية بالغة لأن سعة المجالات البعيدة تتناقص عمومًا.${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r}}\ .}$هذا يعني أن إجمالي الطاقة لكل وحدة مساحة عند مسافة r يتناسب مع${\displaystyle \ {\tfrac {1}{r^{2}}}\ .}$مساحة الكرة تتناسب مع${\displaystyle r^{2}}$وبالتالي، فإن إجمالي الطاقة التي تمر عبر الكرة ثابت. وهذا يعني أن طاقة المجال البعيد تتسرب فعلياً إلى مسافة لا نهائية ( تشع ).

أفضل طريقة هي تحديد حجم المناطق أو النطاقات بوحدات ثابتة (كسور) من الأطوال الموجية البعيدة عن مركز الجزء المشع من الهوائي، مع الأخذ في الاعتبار أن القيم المختارة تقريبية فقط وقد لا تكون مناسبة تمامًا للهوائيات المختلفة في البيئات المختلفة. ويعتمد اختيار أرقام القطع على القوة النسبية لسعات مكونات المجال التي تُلاحظ عادةً في التطبيقات العملية.

هوائيات قصيرة كهرومغناطيسيًا

بالنسبة للهوائيات التي يقل طولها عن نصف طول موجة الإشعاع الذي تُصدره (أي الهوائيات "القصيرة" كهرومغناطيسيًا)، تُقاس الحدود الإقليمية القريبة والبعيدة بنسبة بسيطة بين المسافة r من مصدر الإشعاع وطول موجة الإشعاع λ . بالنسبة لهذا النوع من الهوائيات، يُعرَّف المجال القريب بأنه المنطقة الواقعة ضمن نصف قطر r ≪ λ ، بينما يُعرَّف المجال البعيد بأنه المنطقة التي يكون فيها r ≫ 2λ . أما منطقة الانتقال فهي المنطقة الواقعة بين r = λ و r = 2λ .

لا يُعد طول الهوائي، D ، عاملاً مهماً، ويكون التقريب نفسه لجميع الهوائيات الأقصر (والتي تُصوَّر أحياناً على أنها هوائيات نقطية ). في جميع هذه الهوائيات، يعني قصر الطول أن الشحنات والتيارات في كل قسم فرعي من الهوائي متساوية في أي لحظة، لأن الهوائي قصير جداً بحيث لا ينعكس جهد جهاز الإرسال اللاسلكي قبل أن تظهر تأثيراته على الشحنات والتيارات على طول الهوائي بأكمله.

في المجال القريب التفاعلي (القريب جدًا من الهوائي)، غالبًا ما تكون العلاقة بين شدة المجالين الكهربائي والمغناطيسي معقدة للغاية بحيث يصعب التنبؤ بها وقياسها. قد يهيمن أحد مركبتي المجال ( الكهربائي أو المغناطيسي ) عند نقطة ما، بينما تهيمن العلاقة المعاكسة عند نقطة أخرى قريبة. هذا يجعل إيجاد كثافة القدرة الحقيقية في هذه المنطقة أمرًا صعبًا. والسبب في ذلك هو أنه لحساب القدرة، لا يكفي قياس كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي فحسب، بل يجب أيضًا معرفة علاقة الطور بينهما ، بالإضافة إلى الزاوية بين المتجهين، في كل نقطة من الفضاء . ^{[ 4 ]}

في هذه المنطقة التفاعلية، لا يقتصر الأمر على إشعاع موجة كهرومغناطيسية إلى الفضاء البعيد، بل يتضمن المجال الكهرومغناطيسي أيضًا مكونًا تفاعليًا، ما يعني أن شدة واتجاه وطور المجالين الكهربائي والمغناطيسي حول الهوائي تتأثر بامتصاص وإعادة إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية في هذه المنطقة، وتستجيب لها. في المقابل، يكون للامتصاص بعيدًا عن الهوائي تأثير ضئيل على المجالات القريبة منه، ولا يُحدث أي رد فعل عكسي في جهاز الإرسال.

بالقرب من الهوائي، في المنطقة التفاعلية، تُحتجز كمية معينة من الطاقة ، إن لم يمتصها جهاز الاستقبال، وتُخزن بالقرب من سطح الهوائي. تنتقل هذه الطاقة ذهابًا وإيابًا بين الهوائي والمنطقة التفاعلية القريبة عبر إشعاع كهرومغناطيسي من النوع الذي يُغير ببطء التأثيرات الكهروستاتيكية والمغناطيسية الساكنة. على سبيل المثال، يُولد التيار المتدفق في الهوائي مكونًا مغناطيسيًا بحتًا في المنطقة القريبة، والذي يتلاشى عندما يبدأ تيار الهوائي بالانعكاس، مما يؤدي إلى نقل الطاقة المغناطيسية للمجال عائدةً إلى الإلكترونات في الهوائي، حيث يُحدث المجال المغناطيسي المتغير تأثيرًا حثيًا ذاتيًا على الهوائي الذي ولّده. هذا يُعيد الطاقة إلى الهوائي بطريقة متجددة، فلا تُفقد. تحدث عملية مماثلة عندما تتراكم الشحنة الكهربائية في جزء من الهوائي تحت ضغط جهد الإشارة، مما يُسبب مجالًا كهربائيًا محليًا حول ذلك الجزء من الهوائي، نتيجةً لسعة الهوائي الذاتية . عندما ينعكس اتجاه الإشارة بحيث يُسمح للشحنة بالتدفق بعيدًا عن هذه المنطقة مرة أخرى، يساعد المجال الكهربائي المتراكم في دفع الإلكترونات عائدةً في اتجاه تدفقها الجديد، كما هو الحال مع تفريغ أي مكثف أحادي القطب. وهذا بدوره ينقل الطاقة مرة أخرى إلى تيار الهوائي.

بسبب تأثير تخزين الطاقة وإعادتها، إذا نقل أي من التأثيرين الاستقرائي أو الكهروستاتيكي في المجال القريب التفاعلي أي طاقة مجال إلى الإلكترونات في موصل آخر (مجاور)، فإن هذه الطاقة تُفقد في الهوائي الرئيسي. عند حدوث ذلك، يُلاحظ استهلاك إضافي للطاقة على جهاز الإرسال، نتيجةً لطاقة المجال القريب التفاعلي التي لم تُعاد. يظهر هذا التأثير على شكل معاوقة مختلفة في الهوائي، كما يراها جهاز الإرسال.

قد يُعطي المكون التفاعلي للمجال القريب نتائج غامضة أو غير محددة عند محاولة إجراء القياسات في هذه المنطقة. في مناطق أخرى، تتناسب كثافة الطاقة عكسيًا مع مربع المسافة من الهوائي. مع ذلك، في المنطقة القريبة جدًا من الهوائي، يمكن أن يرتفع مستوى الطاقة بشكل كبير مع انخفاض طفيف في المسافة باتجاه الهوائي. قد تؤثر هذه الطاقة سلبًا على كل من البشر وأجهزة القياس نظرًا لارتفاع القدرات المُتضمنة. ^{[ 4 ]}

لا يحتوي المجال الإشعاعي القريب (الذي يُسمى أحيانًا منطقة فرينل ) على مكونات المجال التفاعلي من هوائي المصدر، نظرًا لبُعده الكافي عن الهوائي بحيث يصبح اقتران المجالات العكسي خارج الطور مع إشارة الهوائي، وبالتالي لا يمكنه استعادة الطاقة الحثية أو السعوية من تيارات أو شحنات الهوائي بكفاءة. لذا، فإن الطاقة في المجال الإشعاعي القريب هي طاقة إشعاعية بالكامل ، على الرغم من أن مزيج مكوناته المغناطيسية والكهربائية لا يزال مختلفًا عن المجال البعيد. وكلما ابتعدنا في المجال الإشعاعي القريب (من نصف طول موجي إلى طول موجي كامل من المصدر)، تصبح العلاقة بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي أكثر قابلية للتنبؤ، لكنها تظل معقدة . ومع ذلك، ولأن المجال الإشعاعي القريب لا يزال جزءًا من المجال القريب، فهناك احتمال لحدوث ظروف غير متوقعة (أو معاكسة).

على سبيل المثال، يمكن للأجسام المعدنية، كالعوارض الفولاذية، أن تعمل كهوائيات من خلال استقبال جزء من الطاقة في المجال الإشعاعي القريب، ثم إعادة إشعاعه، مما يُشكّل سطحًا إشعاعيًا جديدًا. وبحسب خصائص الهوائي وتردداته، قد يكون هذا الاقتران أكثر كفاءة من مجرد استقبال الإشارة عبر الهوائي في المجال البعيد، وبالتالي يمكن نقل طاقة أكبر بكثير إلى "الهوائي" الثانوي في هذه المنطقة مقارنةً بالهوائي الأبعد. وعند تنشيط سطح هوائي إشعاعي ثانوي، فإنه يُنشئ مناطق مجال قريب خاصة به، ولكن تنطبق عليها الشروط نفسها. ^{[ 4 ]}

يتميز المجال القريب بقدرته على إعادة إنتاج تأثيرات الحث الكهرومغناطيسي الكلاسيكي وتأثيرات الشحنة الكهربائية على المجال الكهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى "تلاشي" المجال مع زيادة المسافة من الهوائي: يتناسب مكون المجال المغناطيسي المتعامد مع المجال الكهربائي عكسيًا مع مكعب المسافة (${\displaystyle 1/r^{3}}$) وقوة المجال الكهربائي تتناسب عكسياً مع مربع المسافة (${\displaystyle 1/r^{2}}$). هذا التضاؤل ​​أسرع بكثير من المجال البعيد المشع الكلاسيكي ( المجالين E و B ، واللذان يتناسبان عكسيًا مع المسافة).${\displaystyle 1/r}$). عادةً ما تكون تأثيرات المجال القريب غير مهمة على مسافة أبعد من بضعة أطوال موجية للهوائي.

تشمل تأثيرات المجال القريب البعيد أيضًا تأثيرات نقل الطاقة التي تتصل مباشرةً بأجهزة الاستقبال القريبة من الهوائي، مما يؤثر على خرج طاقة جهاز الإرسال في حال حدوث هذا الاتصال، وإلا فلا. بمعنى آخر، يوفر المجال القريب طاقةً لا تتوفر لجهاز الاستقبال إلا عند استغلالها، ويستشعر جهاز الإرسال ذلك من خلال الاستجابة للمجالات الكهرومغناطيسية القريبة المنبعثة من جهاز الاستقبال. وهذا هو نفس المبدأ الذي ينطبق على الأجهزة المقترنة بالحث ، مثل المحول ، الذي يسحب طاقةً أكبر من الدائرة الأولية إذا تم سحب الطاقة من الدائرة الثانوية. يختلف الأمر في المجال البعيد، الذي يسحب باستمرار نفس الطاقة من جهاز الإرسال، سواءً تم استقبالها فورًا أم لا.

قد تكون سعة المكونات الأخرى (غير الإشعاعية/غير ثنائية القطب) للمجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الهوائي قوية جدًا، ولكن نظرًا لانخفاضها بشكل أسرع مع المسافة مقارنةً بـ${\displaystyle 1/r}$على الرغم من سلوكها، لا تشع هذه المجالات الطاقة لمسافات لا نهائية. بل تبقى طاقتها محصورة في المنطقة القريبة من الهوائي، ولا تسحب الطاقة من جهاز الإرسال إلا إذا أثارت جهاز استقبال في المنطقة المجاورة للهوائي. وبالتالي، لا تنقل المجالات القريبة الطاقة إلا إلى أجهزة استقبال قريبة جدًا، وعندما يحدث ذلك، يُلاحظ كزيادة في استهلاك الطاقة في جهاز الإرسال. كمثال على هذا التأثير، تُنقل الطاقة عبر الفضاء في محول كهربائي أو كاشف معادن عادي عن طريق ظواهر المجال القريب (في هذه الحالة، الاقتران الحثي )، في تأثير قصير المدى للغاية (أي ضمن نطاق طول موجة واحدة من الإشارة).

عند تطبيق تيار كهربائي متذبذب على بنية موصلة، تتولد مجالات كهربائية ومغناطيسية في الفضاء حول هذه البنية. وإذا فُقدت هذه المجالات بفعل موجة فضائية منتشرة، تُسمى هذه البنية عادةً بالهوائي. قد يكون الهوائي عبارة عن مجموعة من الموصلات في الفضاء، كما هو الحال في أجهزة الراديو ، أو قد يكون فتحة ذات توزيع تيار محدد تشع في الفضاء، كما هو الحال في أجهزة الميكروويف أو الأجهزة البصرية . عادةً ما تكون القيم الفعلية للمجالات في الفضاء حول الهوائي معقدة للغاية، وقد تتغير بتغير المسافة من الهوائي بطرق مختلفة.

مع ذلك، في العديد من التطبيقات العملية، لا يُهتم إلا بالتأثيرات التي تكون فيها المسافة بين الهوائي والمراقب أكبر بكثير من أكبر بُعد للهوائي المُرسِل. يمكن تبسيط المعادلات التي تصف الحقول المتولدة حول الهوائي بافتراض مسافة فاصلة كبيرة وحذف جميع الحدود التي تُسهم بشكل طفيف في الحقل النهائي. تُسمى هذه التوزيعات المُبسطة "الحقل البعيد"، وعادةً ما تتميز بخاصية أن التوزيع الزاوي للطاقة لا يتغير مع المسافة، على الرغم من أن مستويات الطاقة لا تزال تتغير مع المسافة والزمن. يُطلق على هذا التوزيع الزاوي للطاقة عادةً اسم نمط الهوائي .

تجدر الإشارة إلى أنه، وفقًا لمبدأ التبادلية ، فإن النمط المرصود عند إرسال هوائي معين يكون مطابقًا للنمط المقاس عند استخدام نفس الهوائي للاستقبال. عادةً ما نجد علاقات بسيطة تصف أنماط المجال البعيد للهوائي، وغالبًا ما تتضمن دوالًا مثلثية، أو في أسوأ الأحوال، علاقات تحويل فورييه أو هانكل بين توزيعات تيار الهوائي وأنماط المجال البعيد المرصودة. مع أن تبسيطات المجال البعيد مفيدة جدًا في الحسابات الهندسية، إلا أن هذا لا يعني استحالة حساب دوال المجال القريب، خاصةً باستخدام تقنيات الحاسوب الحديثة. إن دراسة كيفية تشكل المجالات القريبة حول بنية الهوائي يمكن أن توفر فهمًا عميقًا لعمليات هذه الأجهزة.

لا يتأثر المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال البعيد للهوائي بتفاصيل المجال القريب أو طبيعة الهوائي. وتُعرف معاوقة الموجة بأنها نسبة شدة المجالين الكهربائي والمغناطيسي، اللذين يكونان متوافقين في الطور في المجال البعيد. وبالتالي، فإن " معاوقة الفضاء الحر " في المجال البعيد هي مقاومة، وتُعطى بالعلاقة التالية:

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

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

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

يكون المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال القريب لهوائي ملف صغير كهربائيًا مغناطيسيًا في الغالب. بالنسبة للقيم الصغيرة لـ r / λ ، تكون معاوقة الحلقة المغناطيسية منخفضة وحثية، وتقترب عند المدى القصير من:

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

يكون المجال الكهرومغناطيسي في منطقة المجال القريب لهوائي قضيب قصير كهربائيًا مجالًا كهربائيًا في الغالب. بالنسبة للقيم الصغيرة لـ r / λ ، تكون المعاوقة عالية وسعوية، وتقترب عند المدى القصير من:

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

في كلتا الحالتين، تتقارب معاوقة الموجة مع معاوقة الفضاء الحر مع اقتراب المدى من المجال البعيد.

 تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).

 تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعموم من مواقع إلكترونية أو وثائق تابعة لحكومة الولايات المتحدة ، وتحديداً إدارة السلامة والصحة المهنية .