探秘阵列天线场区：信号的“神秘领地”

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2025-04-12 10:38:08 522

当高频电流在天线中流动时，会在周围空间产生高频电磁场。天线的周围空间通常可细分为（分类为）三个区域：电抗近场区域、辐射近场（菲涅尔）区域和远场（夫琅禾费）区域。这些区域有助于识别场结构，以便确定可以应用哪些简化方法，但场的配置并没有准确的边界，也不会发生突变。

尽管这些区域在多年前就已被预测到，但最早发表有关天线周围区域内容的是20世纪30年代中期的谢尔库诺夫（Schelkunoff），随后是弗里斯（Friis）和克劳斯（Kraus）。有人提到，天线周围的空间可分为两个区域：一个靠近天线，称为“天线区域”；另一个在天线外部，称为 “外部区域”。这两个区域之间的边界（是一个以天线中心为球心的球体），其半径R可任意取为：

其中，L是天线的最大尺寸（长度），λ是波长。

最初，为了强调远处的场与靠近天线的场之间的区别，“外部区域”又被细分为两个区域：靠近天线的区域称为近场或菲涅尔区域；距离较远的区域称为远场或夫琅禾费区域。后来，“天线区域”被称为电抗近场，菲涅尔区域被称为辐射近场，夫琅禾费区域被称为远场。

- 无穷远至天线区域边界球：远场或夫琅禾费区域
- R = 2L2/λ区域：辐射近场或菲涅尔区域
- 菲涅尔 - 夫琅禾费边界球以内：天线区域或电抗近场

这些天线区域以物理学家菲涅尔和夫琅禾费的名字命名，这是因为天线场与他们在光学领域的发明和发现存在相似之处。在辐射近场（菲涅尔）区域，径向场可能较为明显，场方向图的形状通常是到天线距离的函数。在远场（夫琅禾费）区域，电场E和磁场H矢量与传播方向垂直且相互正交，该区域中每一处的场阻抗|E|/|H|接近自由空间波阻抗377欧姆。场方向图的形状与测量时到天线的半径（距离）无关。

然而，满足远场条件的离天线距离，取决于天线尺寸与波长的关系。对于较小的天线（如半波偶极子），与电大尺寸天线相比，其辐射的波前在更近的距离处就几乎平行了。对于小天线，一个较好的近似是，在满足下式时达到远场条件：

R = 2λ

●电抗近场区域

在天线的紧邻区域是电抗近场。在这个区域，场主要是电抗场，这意味着电场E和磁场H彼此相位相差90°（回想一下，对于传播或辐射场，电场和磁场是正交/垂直的，但却是同相的）。对于天线的最大尺寸L，电抗近场区域的边界R通常表示为：

●辐射近场（菲涅尔）区域

辐射近场或菲涅尔区域是电抗近场和远场之间的区域。在这个区域，电抗场不再占主导地位，辐射场开始出现。然而，与远场区域不同，这里辐射方向图的形状会随着到天线距离R的变化而显著改变。对于天线尺寸L，辐射近场区域的边界R通常由下式给出：

需要注意的是，根据R和波长的值，这个场区域可能存在，也可能不存在。

●远场（夫琅禾费）区域

按照定义，远场是远离天线的区域。在这个区域，辐射方向图的形状不会随距离R变化（尽管场强仍按1/R衰减，功率密度按1/R2衰减）。该区域主要由辐射场主导，电场E和磁场H相互正交，且与传播方向的关系和平面波一样。

如果天线的最大线性尺寸是长度L，那么要处于远场区域，必须同时满足以下三个条件：

1).

2). R>>L

3). R>>λ

上述方程1）和2）确保了从天线不同部分向给定方向辐射的功率近似平行（见下图）。这有助于确保远场区域的场表现得像平面波。

在远场中，天线任意点发出的射线近似平行

- 需要注意的是，阵列天线的尺寸L是阵列两端之间的最长距离。根据天线元件的数量和天线阵列的类型，阵列天线的尺寸L可能比单个天线元件的尺寸大很多倍。因此，我们可以看到阵列天线的远场起始范围比单个天线元件的远场范围大得多。

- 需要注意的是，“远大于 >>”（方程2和3）通常认为，如果方程左边至少是右边的10倍，则满足该条件。

远场方程3）源于这样一个事实：在辐射天线附近存在电抗场（见上文电抗近场区域），这些电抗场的电场E和磁场H通常随距离按1/R2和1/R3衰减。方程3）确保这些近场消失，只剩下辐射场，辐射场随距离按1/R衰减。

- 在阵列中，对于低旁瓣设计，R>(2×L2)/λ的远场距离可能不够。随着观察距离从无穷远拉近，第一旁瓣上升，零点开始填充。然后旁瓣变成现在更宽的主瓣上的肩部，第二个零点上升。随着距离减小，这个过程会继续。一阶近似下，结果仅取决于设计的旁瓣电平。

- 远场区域也被称为夫琅禾费区域，这是一个从光学领域沿用过来的术语。

- 远场区域是最重要的场区，因为它决定了天线的辐射方向图。此外，天线用于长距离无线通信，所以这是大多数天线的工作区域。

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