Fernfeld

Das Fernfeld ist der Raumbereich, in dem die von einer Antenne abgestrahlte elektromagnetische Welle zu einer ebenen Welle geworden ist, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Es beginnt typischerweise mehrere Wellenlängen entfernt von der Antenne, jenseits der Übergangszone, die als Nahfeld bezeichnet wird. In diesem Bereich sind das elektrische und magnetische Feld senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung orientiert, wobei ihre Amplituden durch die Impedanz des freien Raums, etwa 377 Ohm, miteinander verknüpft sind.

Die Grenze zwischen Nah- und Fernfeld hängt von den Abmessungen der Antenne und der Betriebsfrequenz ab. Bei elektrisch kleinen Antennen kann das Fernfeld bereits nach wenigen Wellenlängen beginnen. Bei großen Arrays oder Mikrowellenschüsseln kann es sich viel weiter erstrecken. Eine grobe Faustregel besagt, dass das Fernfeld etwa bei 2D² dividiert durch die Wellenlänge beginnt, wobei D die größte Antennendimension ist. Bei 1 GHz mit einer Antenne von 0,5 Meter Größe erreichen Sie das echte Fernfeld möglicherweise erst in mehreren Metern Entfernung.

Messungen und Modellierung in der Praxis

Fernfeldmessungen und Berechnungen sind einfacher als Nahfeldanalysen, weil die Wellenstruktur vorhersagbar ist. Ingenieure verwenden Fernfelddiagramme, um die Antennenverstärkung, Direktionalität und Abstrahlungseffizienz zu spezifizieren. Messplätze für Antennenmessungen sind so ausgelegt, dass die Prüflingantenne oder die Messsonde weit genug vom Sender entfernt ist, damit ebene Wellenbedingungen erfüllt sind. Anechoische Kammern mit absorbierenden Wänden beherbergen diese Messplätze häufig, um Reflexionen auszuschließen.

Auch die numerische Modellierung profitiert von Fernfeldannahmen. Codes, die die Momentenmethode oder Finite-Differenzen-Zeitbereichsverfahren verwenden, können das Nahfeld oft vernachlässigen, wenn Sie nur interessiert, wie die Antenne abstrahlt. Das Fernfeld ist auch der Bereich, in dem die Reaktion der Antenne auf eingehende Signale sauber und vorhersagbar wird, was für die Empfängerkonstruktion und Kommunikationsverbindungen wichtig ist.

In der Nähe der Antenne dominieren gespeicherte Energie und reaktive Kopplung. Wenn Sie sich ins Fernfeld bewegen, sehen Sie nur noch die wandernde Welle. Dieser Unterschied ist in der Praxis entscheidend: Das Nahfeld einer Sendeantenne kann unerwünschte Energie in benachbarte Leiter einkoppeln, während ihr Fernfeld das ist, das den Empfänger kilometerweit entfernt erreicht. Unkenntnis dieser Grenze hat zu Übersprechproblemen in dichten Antennenarrays und zu falschen Vorhersagen der Systemleistung geführt.