50ohm-contents-dl/contents/sections/nafalt.md

Antennens elektromagnetiska fält kan, som figur [ref:a_nahfernfeld] visar, delas in i närfältet i antennens omedelbara närhet och det längre bort belägna fjärrfältet. Närfältet delas dessutom in i det reaktiva närfältet och det strålande närfältet.

Gränserna mellan områdena definieras olika i olika källor. I det här materialet använder vi de gränser som visas i figuren. SSA:s material om elektromagnetiska fält använder som tumregel för enkla antenner att fjärrfältsberäkningar kan göras från avståndet $\lambda/6$.

[picture:1113:a_nahfernfeld:Avståndsdefinitioner för närfält och fjärrfält.]

---

Enligt definitionen i figuren sträcker sig det reaktiva närfältet ut till ett avstånd

d \le \dfrac{\lambda}{2 \cdot \pi}

från antennen, där \lambda är våglängden. Vid större avstånd börjar det strålande närfältet. Gränsens avstånd beror alltså på våglängden. Vid till exempel våglängden \qty{20}{\meter} får vi:

d = \frac{\qty{20}{\meter}}{2 \cdot \pi} \approx \qty{3,18}{\meter}

Det reaktiva närfältet når i det här exemplet alltså ut till ett avstånd på cirka \qty{3,18}{\meter} från antennen.

I en antens reaktiva närfält har den elektriska och den magnetiska fältstyrkan inget konstant fasförhållande till varandra. Vad det betyder förklaras närmare i fördjupningen intill.

Om du tittar på förloppet för det elektriska och magnetiska fältet för en dipolantenn över dessa områden i figur [ref:a_dipol_feld_e_h] ser du att de båda fältstorheterna inte har samma värden. Det elektriska fältet är betydligt starkare än det magnetiska. För en magnetisk loopantenn i figur [ref:a_loop_feld_e_h] är det precis tvärtom: det magnetiska fältet är betydligt starkare än det elektriska.

[picture:1114:a_dipol_feld_e_h:Förlopp för elektrisk och magnetisk fältstyrka hos en dipolantenn över närfält och fjärrfält (logaritmiskt).] [picture:1115:a_loop_feld_e_h:Förlopp för elektrisk och magnetisk fältstyrka hos en loopantenn över närfält och fjärrfält (logaritmiskt).] För den som är matematiskt intresserad och redan känner till komplexa tal förklaras här förenklat varför elektrisk och magnetisk fältstyrka i det reaktiva närfältet inte har ett platsoberoende fasförhållande till varandra. För en elektriskt kort dipol sätts fälten förenklat samman av flera delar:

\underline{E}(r)~=~\left( \underbrace{\frac{A}{r^3}}_{\text{kvasistatisk}} + \underbrace{j\,\frac{B}{r^2}}_{\text{induktiv}} + \underbrace{\frac{C}{r}}_{\text{strålning}} \right) e^{-jkr}

\underline{H}(r)~=~\left( \underbrace{j\,\frac{D}{r^2}}_{\text{induktiv}} + \underbrace{\frac{F}{r}}_{\text{strålning}} \right) e^{-jkr}.

De understrukna storheterna är komplexa och beskriver förutom styrkan även fasen hos respektive fältdel. Faktorer som j eller -j i de fullständiga fältekvationerna motsvarar fasförskjutningar på \qty{90}{\degree} respektive \qty{-90}{\degree}.

Eftersom delarna avtar olika snabbt med avståndet r ändras förhållandet mellan dem. Därför beror fasskillnaden mellan elektrisk och magnetisk fältstyrka i närfältet på avstånd, riktning och antennform.

För en fullständig förståelse måste fältekvationernas enskilda vektorkomponenter betraktas. Dessa samband går klart utöver det som behövs för att tillämpa reglerna i praktiken.

Särskilt i det reaktiva närfältet kan höga lokala fältstyrkor uppstå, eftersom de elektriska eller magnetiska fältdelarna är starka och avtar snabbt med avståndet. Området kallas reaktivt eftersom en stor del av fältenergin inte strålas ut utan pendlar fram och tillbaka mellan antenn och fält. Precis som i en kondensator (elektriskt fält) eller en spole (magnetiskt fält) förbrukas inte den energi som lagras i det reaktiva närfältet, utan den lämnas tillbaka till antennen fasförskjutet – denna pendling motsvarar den reaktiva delen av antennimpedansen, medan bara den resistiva delen (strålningsresistansen) beskriver den effekt som verkligen strålas ut.

I det strålande närfältet i området

\frac{\lambda}{2\pi} < d < 4\cdot\lambda

träder de utstrålade fältdelarna alltmer i förgrunden. Förhållandet mellan elektrisk och magnetisk fältstyrka närmar sig då alltmer förhållandena i fjärrfältet. Antennen strålar dock inte först i detta område utan strålar i grunden hela tiden; det är bara de reaktiva fältdelarna som får mindre betydelse med ökande avstånd. För många förenklade betraktelser kan det strålande närfältet redan behandlas ungefär som fjärrfältet.

Fjärrfältet börjar enligt den definition som används här vid ett avstånd

d \ge 4\cdot\lambda

från antennen. I detta område avtar elektrisk och magnetisk fältstyrka proportionellt mot \frac{1}{d}. Dessutom står de båda fältkomponenterna i ett fast förhållande till varandra och har ett konstant fasförhållande.

---

Förhållandet mellan beloppen av elektrisk och magnetisk fältstyrka kallas fältvågsimpedans:

Z_\mathrm{F}(d)=\left|\frac{E(d)}{H(d)}\right|

Figur [ref:a_feldwellenwiderstand] visar hur fältvågsimpedansen ändras med ökande avstånd från antennen. I det reaktiva närfältet beror den starkt på antennform, betraktad riktning och avstånd. Där kan den vara betydligt större eller mindre än det fria rummets fältvågsimpedans.

I det strålande närfältet närmar sig förhållandet mellan elektrisk och magnetisk fältstyrka alltmer det fria rummets värde. I fjärrfältet är det slutligen konstant och uppgår till ungefär:

Z_0 = \sqrt{\dfrac{\mu_0}{\varepsilon_0}} \approx \qty{120\pi}{\ohm} \approx \qty{377}{\ohm}

Det fria rummets fältvågsimpedans kopplar samman de elektriska och magnetiska fältstorheterna. Den är ett mått på hur stark den elektriska fältstyrkan är i förhållande till den magnetiska.

Det värdet bör du komma ihåg, eftersom vi behöver det för att härleda närmevärdesformeln.

Vi sammanfattar:

• Fjärrfältet från en strålningskälla är det område där vektorerna för elektrisk fältstyrka (E), magnetisk fältstyrka (H) och utbredningsriktningen står vinkelrätt mot varandra och saknar fasskillnad. Dessutom måste fältvågsimpedansen motsvara det fria rummets.
• Gränsen mellan fjärrfält och närfält beror främst på våglängden. Typ av antenn och omgivning spelar dock också roll. För de trådantenner (t.ex. dipoler) som oftast används inom amatörradio bildas fjärrfältet på ett avstånd av ungefär 4\cdot\lambda.

[picture:1116:a_feldwellenwiderstand:Förlopp för fältvågsimpedansen över närfält och fjärrfält (logaritmiskt).]