Ближнее и дальнее электромагнитное поле

Характеристики электромагнитного поля определяются:

- источником;

- окружающей его средой;

-
расстоянием от источника до точки наблюдения.

Вблизи источника свойства поля определяются в основном характеристиками источника. Вдали от источника свойства поля зависят, главным образом, от среды, в которой распространяется поле. Поэтому пространство, окружающее источник, можно разделить на две области (рис.3): рядом с источником расположено ближнее, или индуктивное, поле. На расстоянии, превышающем ~l/2p длины волны, располагается дальнее поле, или поле излучения. Область на расстоянии l/2p является переходной между ближним и дальним полями.

Отношение напряженности электрического поля Е к напряженности магнитного поля Н представляет собой полное волновое сопротивление Z _w. В дальнем поле это отношение равно полному характеристическому сопротивлению среды Z ₀. Например, для воздушного или свободного пространства (вакуума) Z ₀= Z _w =377 Ом. В ближнем поле величина этого отношения определяется параметрами источника и расстоянием от него до рассматриваемой точки. Если в источнике генерируются большой ток и низкое напряжение, Е/Н <377Ом, и ближнее поле является в основном магнитным. И наоборот, если в источнике малый ток и высокое напряжение, Е/Н> 377 Ом, ив ближнем поле преобладает электрическая составляющая.

Для антенны в виде штыря или натянутого провода волновое сопротивление вблизи антенны велико, и преобладающим является электрическое поле. По мере увеличения расстояния интенсивность электрического поля падает, так как оно создает дополняющее его магнитное поле. В ближнем поле его электрическая составляющая затухает пропорционально (1/ r)³, в то время как магнитная составляющая затухает пропорционально (1/ r)². Таким образом, полное волновое сопротивление с увеличением расстояния от штыревой антенны падает и асимптотически приближается к полному сопротивлению, которым обладает свободное пространство в дальнем поле (рис.4).

Рис.3

Для поля, в котором преобладает магнитная составляющая (такое поле создает, например, антенна в виде кругового витка провода – петлевая антенна), полное волновое сопротивление вблизи антенны мало. Сувеличением расстояния от антенны магнитное поле затухает пропорционально (1/ r)³, аэлектрическое – пропорционально (1/ r)². Поэтому полное волновое сопротивление с расстоянием увеличивается и приближается на расстоянии от антенны l/2p к значению характеристического сопротивления вакуума.

В дальнем поле как электрическая, так и магнитная составляющие поля затухают пропорционально 1/ r.

На частотах до 1 МГц почти все наводки внутри электронного оборудования определяются условиями ближнего поля, поскольку ближнее поле на этих частотах простирается на расстояние до 45 м и более. На частоте 30 кГц поле является ближним на расстоянии до 1,5 км от источника. Отсюда следует, что проблемы помех внутри любого данного оборудования следует рассматривать как проблемы ближнего поля, если только не является очевидным, что они относятся к проблемам дальнего поля.

В ближнем поле электрическое и магнитное поля необходимо рассматривать раздельно, поскольку отношение их напряженностей не является постоянным. Однако в дальнем поле эти составляющие взаимодействуют, образуя плоскую волну с полным сопротивлением 377 Ом, т. е. при рассмотрении плоских волн предполагается, что они соответствуют дальнему полю. При раздельном рассмотрении электрического и магнитного полей считается, что они соответствуют ближнему полю.

Эффективность экранирования

Ниже рассматривается эффективность экранирования тонких металлических листов в ближнем и дальнем полях. Эту эффективность определяют двумя способами. Один из этих способов базируется на соотношениях теории цепей, другой – на соотношениях теории поля. При первом подходе рассматриваются поля помех, наводящие в экранах токи, которые в свою очередь создают дополнительные поля, стремящиеся нейтрализовать первоначальные поля в определенных областях пространства. Пример такого взаимодействия показан на рис.5. Мы будем использовать более фундаментальным подходом теории поля.

Эффективность экранирования можно определить как создаваемое экраном уменьшение напряженностей магнитного и (или) электрического полей. Эффективность экранирования удобно выражать в децибелах (дБ), что позволяет суммировать коэффициенты экранирования для различного рода эффектов или экранов, ослабляющих поля, для получения общего коэффициента экранирования.

Эффективность экранирования зависит от следующих факторов: частоты, конфигурации экрана, положения внутри экрана точки, в которой производится измерение, вида ослабляемого поля, направления его распространения и поляризации.

Далее рассматривается экранирование, обеспечиваемое плоским листом проводящего материала. На примере этой простой конфигурации будут получены общие концепции экранирования и выявлены характеристики материала экрана, от которых зависит эффективность экранирования. При этом не учитываются эффекты, определяемые геометрической формой экрана. Результаты вычислений для плоского листа полезны для оценки относительной экранирующей способности различных материалов.

Для электромагнитной волны, падающей на металлическую поверхность, существуют два вида потерь:

- волна частично отражается от поверхности;

- преломленная (неотраженная) волна по мере распространения в среде ослабляется.

Последнее явление, называемое потерями на поглощение, одинаково для ближнего и дальнего электрического и магнитного полей.

В отличие от потерь на поглощение, потери на отражение зависят от вида поля и полного волнового сопротивления среды.

Общая эффективность экранирования материала, выражаемая в децибеллах, равна сумме коэффициента потерь на поглощение K _погл, коэффициента потерь на отражение K _отр и коэффициента К _{м отр}, учитывающего многократное отражение в тонких экранах

K _э(дБ)= К _погл+ К _отр+ K _м.отр. (1)

Все члены уравнения (1) должны быть выражены в децибелах. При K _погл>10 дБ коэффициентом K _{м отр} можно пренебречь. С точки зрения практики коэффициент K _м.отр можно не учитывать также при определении экранирования электрических полей и плоских волн.